DE102010019015A1 - Method for reconstructing image data of human heart from measurement data of computed tomography system, involves reconstructing image data by utilizing iterative algorithm, where pixel values of image data is not smaller than zero - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion von CT-Bildern eines bewegten Untersuchungsobjektes aus Messdaten.The invention relates to a method for reconstructing CT images of a moving examination object from measured data.
Tomographische Bildgebungsverfahren zeichnen sich dadurch aus, dass innere Strukturen eines Untersuchungsobjektes untersucht werden können, ohne dabei operative Eingriffe an diesem durchführen zu müssen. Eine mögliche Art der tomographischen Bilderzeugung besteht darin, von dem zu untersuchenden Objekt eine Anzahl von Projektionen aus verschiedenen Winkeln aufzunehmen. Aus diesen Projektionen lässt sich ein zweidimensionales Schnittbild oder ein dreidimensionales Volumenbild des Untersuchungsobjektes berechnen.Tomographic imaging methods are characterized by the fact that internal structures of an examination subject can be examined without having to perform any surgical procedures on it. One possible type of tomographic imaging is to take a number of projections from different angles from the object to be examined. From these projections, a two-dimensional sectional image or a three-dimensional volume image of the examination object can be calculated.
Ein Beispiel für ein solches tomographisches Bildgebungsverfahren ist die Computertomographie. Verfahren zur Abtastung eines Untersuchungsobjektes mit einem CT-System sind allgemein bekannt. Hierbei werden beispielsweise Kreisabtastungen, sequentielle Kreisabtastungen mit Vorschub oder Spiralabtastungen verwendet. Auch andersartige Abtastungen, die nicht auf Kreisbewegungen beruhen, sind möglich, so z. B. Scans mit linearen Segmenten. Es werden mit Hilfe mindestens einer Röntgenquelle und mindestens eines gegenüberliegenden Detektors Absorptionsdaten des Untersuchungsobjektes aus unterschiedlichen Aufnahmewinkeln aufgenommen und diese so gesammelten Absorptionsdaten bzw. Projektionen mittels entsprechender Rekonstruktionsverfahren zu Schnittbildern durch das Untersuchungsobjekt verrechnet.An example of such a tomographic imaging method is computed tomography. Methods for scanning an examination subject with a CT system are well known. In this case, for example, circular scans, sequential circular scans with feed or spiral scans are used. Also other types of scans that are not based on circular motions are possible, such. B. scans with linear segments. With the aid of at least one X-ray source and at least one opposing detector, absorption data of the examination object are taken from different exposure angles and these absorption data or projections thus collected are offset by means of appropriate reconstruction methods to form sectional images through the examination subject.
Zur Rekonstruktion von computertomographischen Bildern aus Röntgen-CT-Datensätzen eines Computertomographiegeräts (CT-Geräts), d. h. aus den erfassten Projektionen, wird heutzutage als Standardverfahren ein so genanntes gefiltertes Rückprolektionsverfahren (Filtered Back Projection; FBP) eingesetzt. Nach der Datenerfassung wird üblicherweise ein so genannter ”Rebinning”-Schritt durchgeführt, in dem die mit dem fächerförmig sich von der Quelle ausbreitenden Strahl erzeugten Daten so umgeordnet werden, dass sie in einer Form vorliegen, wie wenn der Detektor von parallel auf den Detektor zulaufenden Röntgenstrahlen getroffen würde. Die Daten werden dann in den Frequenzbereich transformiert. Im Frequenzbereich findet eine Filterung statt, und anschließend werden die gefilterten Daten rücktransformiert. Mit Hilfe der so umsortierten und gefilterten Daten erfolgt dann eine Rückprojektion auf die einzelnen Voxel innerhalb des interessierenden Volumens.For the reconstruction of computed tomographic images from X-ray CT data sets of a computed tomography (CT) device, d. H. From the recorded projections, a so-called filtered back projection (FBP) method is nowadays used as the standard method. After data acquisition, a so-called "rebinning" step is usually performed in which the data generated with the fan-shaped beam from the source is rearranged to be in a shape as if the detector were converging from parallel to the detector X-rays would hit. The data is then transformed into the frequency domain. In the frequency domain, filtering takes place, and then the filtered data is transformed back. With the help of the thus sorted and filtered data, a backprojection then takes place on the individual voxels within the volume of interest.
In der letzten Zeit sind iterative Rekonstruktionsverfahren entwickelt worden. Bei einem solchen iterativen Rekonstruktionsverfahren erfolgt zunächst eine Rekonstruktion von initialen Bilddaten aus den Projektionsmessdaten. Hierzu kann beispielsweise ein Faltungsrückprojektionsverfahren verwendet werden. Aus diesen initialen Bilddaten werden dann mit einem „Projektor”, einem Projektionsoperator, welcher das Messsystem mathematisch möglichst gut abbilden sollte, synthetische Projektionsdaten erzeugt. Die Differenz zu den Messsignalen wird dann mit dem zu dem Projektor adjungierten Operator rückprojiziert und es wird so ein Residuum-Bild rekonstruiert, mit dem das initiale Bild aktualisiert wird. Die aktualisierten Bilddaten können wiederum verwendet werden, um in einem nächsten Iterationsschritt mit Hilfe des Projektionsoperators neue synthetische Projektionsdaten zu erzeugen, daraus wieder die Differenz zu den Messsignalen zu bilden und ein neues Residuum-Bild zu berechnen, mit dem wieder die Bilddaten der aktuellen Iterationsstufe verbessert werden usw. Mit einem solchen Verfahren lassen sich Bilddaten rekonstruieren, die eine relativ gute Bildschärfe und dennoch ein geringes Bildrauschen aufweisen.Recently, iterative reconstruction techniques have been developed. In such an iterative reconstruction method, a reconstruction of initial image data from the projection measurement data first takes place. For this purpose, for example, a convolution-back projection method can be used. From this initial image data, synthetic projection data are then generated with a "projector", a projection operator, which should map the measuring system mathematically as well as possible. The difference to the measurement signals is then backprojected with the adjoint to the projector operator and it is reconstructed so a residual image, with which the initial image is updated. The updated image data can in turn be used to generate new synthetic projection data in a next iteration step with the aid of the projection operator, again to form the difference to the measurement signals and to calculate a new residual image, which again improves the image data of the current iteration stage etc. Such a method can be used to reconstruct image data which has relatively good image sharpness and still low image noise.
Ein Nachteil dieser allgemein bekannten Berechnungsverfahren besteht darin, dass bei einem bewegten Untersuchungsobjekt, oder einem zumindest teilweise bewegten Untersuchungsobjekt, Bewegungsunschärfen im Bild entstehen können, da während der Zeit eines Abtastvorgangs für die Daten, die für ein Bild benötigt werden, ein Ortsversatz des Untersuchungsobjektes oder eines Teils des Untersuchungsobjektes vorliegen kann, so dass die Basisdaten, die zu einem Bild führen, nicht alle räumlich identische Situation des Untersuchungsobjektes widerspiegeln. Dieses Bewegungsunschärfeproblem entsteht besonders verstärkt bei der Durchführung von Cardio-CT-Untersuchungen eines Patienten, bei denen aufgrund der Herzbewegung eine starke Bewegungsunschärfe im Herzbereich auftreten kann oder für Untersuchungen, bei denen relativ schnelle Veränderungen im Untersuchungsobjekt gemessen werden sollen.A drawback of these generally known calculation methods is that motion blurs can arise in the image in the case of a moving examination object or an examination object that is at least partially moved, since during the time of a scan operation for the data required for an image, a positional offset of the examination object or a part of the examination object may be present, so that the basic data that lead to an image, not all spatially identical situation of the examination object reflect. This motion blur problem arises particularly intensified when performing cardio-CT examinations of a patient, in which due to the heart movement a strong motion blur in the heart area can occur or for examinations, in which relatively fast changes in the examination object are to be measured.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Rekonstruktion von CT-Bildern eines bewegten Untersuchungsobjektes aufzuzeigen. Ferner sollen eine entsprechende Steuer- und Recheneinheit, ein CT-System, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt aufgezeigt werden.The invention has for its object to provide a method for the reconstruction of CT images of a moving examination object. Furthermore, a corresponding control and processing unit, a CT system, a computer program and a computer program product are to be shown.
Diese Aufgabe wird durch Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch eine Steuer- und Recheneinheit, ein CT-System, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt mit Merkmalen von nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is achieved by methods with the features of claim 1, and by a control and processing unit, a CT system, a computer program and a computer program product with features of independent claims. Advantageous embodiments and further developments are the subject of dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Rekonstruktion von Bilddaten eines bewegten Untersuchungsobjektes aus Messdaten wurden die Messdaten zuvor bei einer relativen Rotationsbewegung zwischen einer Strahlungsquelle eines Computertomographiesystems und dem Untersuchungsobjekt erfasst. Es erfolgt eine Zerlegung der Messdaten in einen ersten, unbewegten Bestandteilen des Untersuchungsobjektes entsprechenden Teil, und einen zweiten, bewegten Bestandteilen des Untersuchungsobjektes entsprechenden Teil. Basierend auf dem ersten Teil der Messdaten werden erste Bilddaten rekonstruiert, und basierend auf einem unvollständigen Datensatz des zweiten Teils der Messdaten werden zweite Bilddaten rekonstruiert. Hierbei erfolgt die Rekonstruktion der zweiten Bilddaten durch einen iterativen Algorithmus, bei dem gefordert wird, dass Bildpunktwerte nicht kleiner als Null sein sollen.In the inventive method for the reconstruction of image data of a moving For examination objects from measured data, the measured data were previously acquired during a relative rotational movement between a radiation source of a computed tomography system and the examination subject. There is a decomposition of the measurement data in a first, immobile components of the examination subject corresponding part, and a second, moving parts of the examination subject corresponding part. Based on the first part of the measurement data, first image data are reconstructed, and second image data are reconstructed based on an incomplete data set of the second part of the measurement data. In this case, the reconstruction of the second image data is carried out by an iterative algorithm in which it is required that pixel values should not be less than zero.
Die erfassten Messdaten umfassen vorzugsweise einen vollständigen Messdatensatz, der für eine übliche Bildrekonstruktion herangezogen werden kann. Vollständig bedeutet bei der Computertomographie, dass zumindest Messdaten eines Halbumlaufes vorliegen. Ein Halbumlauf entspricht einem durch die Messung abgedeckten Projektionswinkelbereich von 180° in Parallelstrahlgeometrie und 180° plus dem Fächeröffnungswinkel in Fächerstrahlgeometrie.The acquired measurement data preferably comprises a complete measurement data set that can be used for a conventional image reconstruction. Complete means in computer tomography that at least measurement data of a half-round is present. A half round corresponds to a projection angle range covered by the measurement of 180 ° in parallel beam geometry and 180 ° plus the fan opening angle in fan beam geometry.
Die Messdaten werden zunächst zerlegt, und zwar in einen ersten und einen zweiten Teil. Der erste Teil enthält Messdatenwerte, welche nach einer Bildrekonstruktion ausschließlich oder zumindest hauptsächlich die unbewegten Bestandteile des von den Messdaten erfassten Ausschnittes des Untersuchungsobjektes abbilden. Der zweite Teil enthält Messdatenwerte, welche nach einer Bildrekonstruktion ausschließlich oder zumindest hauptsächlich die bewegten Bestandteile des von den Messdaten erfassten Ausschnittes des Untersuchungsobjektes abbilden. Durch Zusammenfügen der beiden Teilbilder erhält man also ein vollständiges Bild, welches sowohl die bewegten als auch die unbewegten. Bestandteile enthält. Eine Unterscheidung zwischen bewegten und unbewegten Bestandteilen ist nicht immer eindeutig möglich; dementsprechend muss auch die Messdatenzerlegung keine scharfe Trennung darstellen.The measurement data are first decomposed, in a first and a second part. The first part contains measured data values which, after image reconstruction, exclusively or at least mainly depict the immobile components of the section of the examination object captured by the measurement data. The second part contains measured data values which, after image reconstruction, exclusively or at least mainly depict the moving components of the section of the examination object detected by the measurement data. By joining the two partial images, one obtains a complete image, which includes both the moving and the stationary. Contains ingredients. A distinction between moving and immobile components is not always clearly possible; accordingly, the measurement data decomposition does not have to be a sharp separation.
Betrachtet man die Messdaten im Sinogrammraum, so liegt nach der Zerlegung ein erstes Sinogramm mit ersten Messdatenwerten und ein zweites Sinogramm mit zweiten Messdatenwerten vor, wobei manche dieser Messdatenwerte auch Null sein können.If one considers the measurement data in the sinogram space, then after the decomposition a first sinogram with first measured data values and a second sinogram with second measured data values are present, whereby some of these measured data values can also be zero.
Zur Berechnung der ersten Bilddaten wird der erste Teil der Messdaten eingesetzt. Vorzugsweise wird hierfür ein vollständiger Messdatensatz verwendet. Die Berechnung der zweiten Bilddaten hingegen erfolgt auf Basis eines unvollständigen Messdatensatzes des zweiten Teils des Messdaten. Bei diesem unvollständigen Datensatz kann es sich insbesondere um eine Teilmenge des zweiten Teils der Messdaten handeln. Die Verwendung des unvollständigen Datensatzes hat den Vorteil, dass hierdurch die Zeitauflösung erhöht wird, was bei bewegten Untersuchungsobjekten zur Verbesserung der Bildqualität wesentlich ist. Denn die Zeit, welche zur Erfassung eines unvollständigen Messdatensatzes erforderlich ist, ist kleiner als diejenige zur Erfassung eines vollständigen Messdatensatzes.The first part of the measurement data is used to calculate the first image data. Preferably, a complete measurement data set is used for this purpose. The calculation of the second image data, on the other hand, takes place on the basis of an incomplete measurement data set of the second part of the measurement data. In particular, this incomplete data record may be a subset of the second part of the measurement data. The advantage of using the incomplete data set is that it increases the time resolution, which is essential for improving the image quality in the case of moving examination objects. Because the time required to capture an incomplete measurement data set is smaller than that for acquiring a complete measurement data set.
Bei den ersten und den zweiten Bilddaten kann es sich um ein zweidimensionales Schnittbild oder um ein dreidimensionales Volumenbild des Untersuchungsobjektes handeln.The first and the second image data may be a two-dimensional sectional image or a three-dimensional volume image of the examination object.
Zur Berechnung der zweiten Bilddaten wird ein iterativer Algorithmus verwendet. Hierfür existieren mehrere Beispiele, wie die algebraische Rekonstruktionstechnik (ART), die simultane algebraische Rekonstruktionstechnik (SART), die iterierte gefilterte Rückprojektion (IFBP), oder auch statistische iterative Bildrekonstruktionstechniken. Das Prinzip der iterativen Rekonstruktion ist, dass ein CT-Bild berechnet wird, welches als Eingangsbild für die Berechnung des Iterationsbildes der nächsten Stufe verwendet wird. Hierbei wird schrittweise versucht, das Iterationsbild möglichst gut den Messdaten anzupassen.An iterative algorithm is used to calculate the second image data. There are several examples for this, such as the algebraic reconstruction technique (ART), the simultaneous algebraic reconstruction technique (SART), the iterated filtered backprojection (IFBP), or statistical iterative image reconstruction techniques. The principle of the iterative reconstruction is that a CT image is calculated which is used as the input image for the calculation of the iteration image of the next stage. This step-by-step attempt is made to adapt the iteration image as well as possible to the measured data.
Würde man einen iterativen Algorithmus unverändert auf einen unvollständigen Messdatensatz anwenden, so enthielte das Ergebnisbild Artefakte aufgrund dieser Unvollständigkeit. Um dies zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, wird gefordert wird, dass Bildpunktwerte nicht kleiner als Null sein sollen. Diese Forderung betrifft die im Rahmen der iterativen Rekonstruktion berechneten Iterationsbilder und somit auch das Ergebnisbild der iterativen Rekonstruktion. Sie kann sich auf alle Bildpunkte beziehen, oder auf nur eine Teilmenge der Bildpunkte. Besonders vorteilhaft ist es, die Forderung als Randbedingung bei der iterativen Rekonstruktion einzusetzen. Ferner ist es vorteilhaft, wenn gemäß der Forderung negative Bildpunktwerte auf Null gesetzt werden. Der Forderung folgend werden in diesem Fall die Werte manche Bildpunkte, und zwar diejenigen mit Werten kleiner als Null, modifiziert. Anstelle des Wertes Null können die Bildpunktwerte kleiner als Null auch auf einen anderen Wert gesetzt werden.If one were to apply an iterative algorithm unchanged to an incomplete measurement data set, the resulting image would contain artifacts due to this incompleteness. To avoid or at least reduce this, it is required that pixel values should not be less than zero. This requirement concerns the iteration images calculated in the course of the iterative reconstruction and thus also the result image of the iterative reconstruction. It can refer to all pixels, or to only a subset of the pixels. It is particularly advantageous to use the requirement as a boundary condition in the iterative reconstruction. Furthermore, it is advantageous if, according to the requirement, negative pixel values are set to zero. Following the demand, in this case, the values are modified for some pixels, those with values less than zero. Instead of the value zero, the pixel values smaller than zero can also be set to another value.
In Weiterbildung der Erfindung erfolgt eine Addition der ersten und der zweiten Bilddaten. Hierbei kann es sich um eine einfache oder eine gewichtete Addition handeln. Das Summenbild kann als Ergebnisbild ausgegeben werden.In a development of the invention, the first and the second image data are added. This can be a simple or a weighted addition. The summation image can be output as a result image.
Einer Weiterbildung der Erfindung gemäß erfolgt die Zerlegung der Messdaten derart, dass weder der erste Teil noch der zweite Teil negative Datenwerte enthält. Negative Datenwerte würden eventuell zu unsinnigen oder falschen Bilddatenwerten führen.According to a development of the invention, the decomposition of the measured data takes place in such a way that neither the first part nor the second part is negative Contains data values. Negative data values may lead to nonsensical or incorrect image data values.
Zusätzlich oder alternativ zur Bedingung der Vermeidung negativer Datenwerte bei der Zerlegung kann man bei der Zerlegung auch fordern, dass die dem zweiten Teil entsprechenden Bilddaten keine Werte kleiner als Null aufweisen. Derartige negative Ziel-Bilddaten würden bei der tatsächlichen Rekonstruktion eventuell zu unsinnigen oder falschen Bilddatenwerten führen.In addition or as an alternative to the condition of avoiding negative data values during the decomposition, it can also be demanded during the decomposition that the image data corresponding to the second part have no values smaller than zero. Such negative target image data would eventually result in nonsensical or incorrect image data values in the actual reconstruction.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Zerlegung der Messdaten eine Tiefpassfilterung und/oder eine Hochpassfilterung der Messdaten erfolgt. Wird eine Tiefpassfilterung durchgeführt, so entspricht der erste Teil den tiefpassgefilterten Messdaten; wird eine Hochpassfilterung durchgeführt, so entspricht der zweite Teil den hochpassgefilterten Messdaten.It is particularly advantageous if a low-pass filtering and / or a high-pass filtering of the measured data takes place for the decomposition of the measured data. If a low-pass filtering is performed, the first part corresponds to the low-pass filtered measured data; If a high-pass filtering is performed, the second part corresponds to the high-pass filtered measured data.
Die Tiefpassfilterung und/oder Hochpassfilterung kann durch Anwendung eines morphologischen Filters, also eines Formfilters, auf die Messdaten erfolgen.The low-pass filtering and / or high-pass filtering can be done by applying a morphological filter, ie a shape filter, to the measured data.
In Weiterbildung der Erfindung werden zur Zerlegung der Messdaten tiefpassfilterte Messdaten ermittelt, welche skaliert und von den Messdaten abgezogen werden, wobei der erste Teil den skalierten tiefpassgefilterten Messdaten und der zweite Teil der Differenz zwischen den Messdaten und den skalierten tiefpassgefilterten Messdaten entspricht. Die Skalierung dient dazu, negative Werte in der Differenz aus den Messdaten und den tiefpassgefilterten Messdaten zu vermeiden. Treten keine negativen Werte auf, selbst wenn die Skalierung unterbleibt, wird mit dem Faktor 1 skaliert. Die tiefpassfilterten Messdaten können auf verschiedene Wiesen ermittelt werden, von denen manche im Folgenden genannt werden.In a further development of the invention, low-pass filtered measurement data are determined for the decomposition of the measurement data, which are scaled and subtracted from the measurement data, the first part corresponding to the scaled low-pass filtered measurement data and the second part of the difference between the measurement data and the scaled low-pass filtered measurement data. The scaling serves to avoid negative values in the difference between the measured data and the low-pass filtered measured data. If no negative values occur, scaling is scaled by a factor of 1. The low-pass filtered measurement data can be determined in various fields, some of which are mentioned below.
In Ausgestaltung der Erfindung erfolgt zur Zerlegung der Messdaten eine Medianbildung in Bezug auf die Messdaten, und zumindest manche der Messdaten werden abhängig vom gebildeten Median geändert. Abhängig davon, wie die Änderung der Messdaten erfolgt, kann dies einer Tiefpass- oder einer Hochpassfilterung entsprechen.In an embodiment of the invention, a median formation with respect to the measurement data takes place for the decomposition of the measurement data, and at least some of the measurement data are changed as a function of the median formed. Depending on how the measurement data changes, this may correspond to low-pass or high-pass filtering.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Zerlegung der Messdaten tiefpassgefilterte Messdaten erhalten werden, indem bezogen auf einen Messdatenwert der Median in der jeweiligen Messdatenumgebung gebildet wird, und der Messdatenwert durch den Median ersetzt wird, falls der Median kleiner als der Messdatenwert ist. Ist der Median größer als der Messdatenwert, erfolgt vorzugsweise keine Änderung des Messdatenwertes. Auf diese Weise kann in Bezug auf jeden Messdatenwert vorgegangen werden, um auf diese Weise die gesamten Messdaten tiefpasszufiltern.It is particularly advantageous if, for the decomposition of the measurement data, low-pass filtered measurement data are obtained by forming the median in the respective measurement data environment relative to a measurement data value and replacing the measurement data value by the median, if the median is smaller than the measurement data value. If the median is greater than the measured data value, preferably no change in the measured data value takes place. In this way, it is possible to proceed with respect to each measurement data value in order to low-pass-filter the entire measurement data in this way.
In Ausgestaltung der Erfindung können zur Zerlegung der Messdaten tiefpassgefilterte Messdaten erhalten werden, indem basierend auf den Messdaten Bilddaten rekonstruiert werden, die Bilddaten tiefpassgefiltert werden, und die tiefpassgefilterten Bilddaten in den Datenraum vorwärtsprojiziert werden. Hierbei wird die Berechnung der Tiefpassfilterung von dem Messdatenraum in den Bilddatenraum verschoben.In an embodiment of the invention, low-pass filtered measurement data can be obtained for decomposing the measurement data by reconstructing image data based on the measurement data, lowpass filtering the image data, and projecting the lowpass filtered image data into the data space. In this case, the calculation of the low-pass filtering is shifted from the measurement data space into the image data space.
Die erfindungsgemäße Steuer- und Recheneinheit dient der Rekonstruktion von Bilddaten eines Untersuchungsobjektes aus Messdaten eines CT-Systems. Sie umfasst einen Programmspeicher zur Speicherung von Programmcode, wobei hierin – gegebenenfalls unter anderem – Programmcode vorliegt, der geeignet ist, ein Verfahren der oben beschriebenen Art auszuführen oder diese Ausführung zu bewirken oder zu steuern. Das erfindungsgemäße CT-System umfasst eine solche Steuer- und Recheneinheit. Ferner kann es sonstige Bestandteile enthalten, welche z. B. zur Erfassung von Messdaten benötigt werden.The control and computing unit according to the invention serves to reconstruct image data of an examination subject from measured data of a CT system. It comprises a program memory for the storage of program code, wherein - if appropriate inter alia - there is program code which is suitable for carrying out a method of the type described above or for effecting or controlling this embodiment. The CT system according to the invention comprises such a control and computing unit. Furthermore, it may contain other ingredients which z. B. needed for the acquisition of measurement data.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm verfügt über Programmcode, der geeignet ist, das Verfahren der oben beschriebenen Art durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.The computer program according to the invention has program code which is suitable for carrying out the method of the type described above when the computer program is executed on a computer.
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt umfasst auf einem computerlesbaren Datenträger gespeicherten Programmcode, der geeignet ist, das Verfahren der oben beschriebenen Art durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.The computer program product according to the invention comprises program code stored on a computer-readable data medium which is suitable for carrying out the method of the type described above when the computer program is executed on a computer.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:In the following the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. Showing:
In
Das CT-System C1 verfügt weiterhin über eine Patientenliege C8, auf der ein Patient bei der Untersuchung entlang einer Systemachse C9, auch als z-Achse bezeichnet, in das Messfeld geschoben werden kann, wobei die Abtastung selbst sowohl als reiner Kreisscan ohne Vorschub des Patienten ausschließlich im interessierten Untersuchungsbereich stattfinden kann. Die Bewegung der Patientenliege C8 relativ zur Gantry wird durch eine geeignete Motorisierung bewirkt. Während dieser Bewegung rotiert jeweils die Röntgenquelle C2 bzw. C4 um den Patienten. Parallel läuft dabei gegenüber der Röntgenquelle C2 bzw. C4 der Detektor C3 bzw. C5 mit, um Projektionsmessdaten zu erfassen, die dann zur Rekonstruktion von Schnittbildern genutzt werden. Alternativ zu einem sequentiellen Scan, bei dem der Patient schrittweise zwischen den einzelnen Scans durch das Untersuchungsfeld geschoben wird, ist selbstverständlich auch die Möglichkeit eines Spiralscans gegeben, bei dem der Patient während der umlaufenden Abtastung mit der Röntgenstrahlung kontinuierlich entlang der Systemachse C9 durch das Untersuchungsfeld zwischen Röntgenröhre C2 bzw. C4 und Detektor C3 bzw. C5 geschoben wird. Durch die Bewegung des Patienten entlang der Achse C9 und den gleichzeitigen Umlauf der Röntgenquelle C2 bzw. C4 ergibt sich bei einem Spiralscan für die Röntgenquelle C2 bzw. C4 relativ zum Patienten während der Messung eine Helixbahn. Diese Bahn kann auch dadurch erreicht werden, indem die Gantry bei unbewegtem Patienten entlang der Achse C9 verschoben wird. Ferner ist es möglich, den Patienten kontinuierlich und periodisch zwischen zwei Punkten hin- und herzubewegen.The CT system C1 also has a patient couch C8, on which a patient can be pushed into the measuring field during the examination along a system axis C9, also referred to as a z-axis, the scan itself being both a pure circular scan without advancing the patient can only take place in the interested field of investigation. The movement of the patient couch C8 relative to the gantry is effected by a suitable motorization. During this movement, the X-ray sources C2 and C4 respectively rotate about the patient. At the same time, the detector C3 or C5 runs parallel to the X-ray source C2 or C4 in order to acquire projection measurement data, which are then used for the reconstruction of sectional images. As an alternative to a sequential scan, in which the patient is pushed step by step between the individual scans through the examination field, there is of course also the possibility of a spiral scan in which the patient during the continuous scan with the X-ray continuously along the system axis C9 through the examination field between X-ray tube C2 or C4 and detector C3 or C5 is pushed. The movement of the patient along the axis C9 and the simultaneous circulation of the X-ray source C2 or C4 results in a helical scan for the X-ray source C2 or C4 relative to the patient during the measurement, a helical trajectory. This path can also be achieved by moving the gantry along the axis C9 when the patient is still moving. Further, it is possible to reciprocate the patient continuously and periodically between two points.
Gesteuert wird das CT-System
Von der Steuer- und Recheneinheit C10 aus können über eine Steuerschnittstelle
Da die Steuer- und Recheneinheit C10 über eine Eingabekonsole verfügt, können Messparameter von einem Anwender oder Operator des CT-Geräts C1 eingegeben werden, welche dann in Form von Akquisitionssteuersignalen AS die Datenerfassung steuern. Informationen über aktuell verwendete Messparameter können auf dem Bildschirm der Steuer- und Recheneinheit C10 dargestellt werden; zusätzlich können weitere für den Operator relevante Informationen angezeigt werden.Since the control and processing unit C10 has an input console, measurement parameters can be input by a user or operator of the CT apparatus C1, which then control the data acquisition in the form of acquisition control signals AS. Information about currently used measuring parameters can be displayed on the screen of the control and processing unit C10; In addition, further information relevant to the operator can be displayed.
Die vom Detektor C3 bzw. C5 akquirierten Projektionsmessdaten p bzw. Rohdaten werden über eine Rohdatenschnittstelle C23 an die Steuer- und Recheneinheit C10 übergeben. Diese Rohdaten p werden dann, gegebenenfalls nach einer geeigneten Vorverarbeitung, in einem Bildrekonstruktionsbestandteil C21 weiterverarbeitet. Der Bildrekonstruktionsbestandteil C21 ist bei diesem Ausführungsbeispiel in der Steuer- und Recheneinheit C10 in Form von Software auf einem Prozessor realisiert, z. B. in Form einer oder mehrerer der Computerprogrammcodes Prg1 bis Prgn. In Bezug auf die Bildrekonstruktion gilt wie bereits in Bezug auf die Steuerung des Messvorgangs erläutert, dass die Computerprogrammcodes Prg1 bis Prgn auch auf einem externen Speichermedium enthalten sein und bei Bedarf in die Steuer- und Recheneinheit C10 geladen werden können. Ferner ist es möglich, dass die Steuerung des Messvorgangs und die Bildrekonstruktion von verschiedenen Recheneinheiten durchgeführt werden.The projection measurement data p or raw data acquired by the detector C3 or C5 is transferred to the control and processing unit C10 via a raw data interface C23. These raw data p are then further processed, if appropriate after suitable preprocessing, in an image reconstruction component C21. The image reconstruction component C21 is implemented in this embodiment in the control and processing unit C10 in the form of software on a processor, for. In the form of one or more of the computer program codes Prg 1 to Prg n . With regard to the image reconstruction, as already explained with reference to the control of the measuring process, the computer program codes Prg 1 to Prg n can also be contained on an external storage medium and can be loaded into the control and processing unit C10 as required. Furthermore, it is possible that the control of the measuring process and the image reconstruction are performed by different computing units.
Die von dem Bildrekonstruktionsbestandteil C21 rekonstruierten Bilddaten f werden dann in einem Speicher C22 der Steuer- und Recheneinheit C10 hinterlegt und/oder in üblicher Weise auf dem Bildschirm der Steuer- und Recheneinheit C10 ausgegeben. Sie können auch über eine in
Die Steuer- und Recheinheit C10 kann zusätzlich auch die Funktion eines EKGs ausführen, wobei eine Leitung C12 zur Ableitung der EKG-Potenziale zwischen Patient und Steuer- und Recheneinheit C10 verwendet wird. Zusätzlich verfügt das in der
Die
Die Erfindung ist in beiden der in den
Soweit Körperpartien eines Patienten aufgenommen werden sollen, die sich nicht bewegen bzw. sich ruhigstellen lassen, stellen sich für die Aufnahme der Projektionen und die sich daran anschließende Bildrekonstruktion keine nennenswerten Probleme mit Bewegungsartefakten. Kritisch hingegen ist dies bei bewegten Untersuchungsobjekten. Im Folgenden wird die Situation betrachtet, dass eine CT-Aufnahme eines sich bewegenden Untersuchungsobjektes erfolgen soll.As far as parts of the body of a patient are to be taken that can not move or be immobilized, there are no significant problems with movement artifacts for the recording of the projections and the subsequent image reconstruction. On the other hand, this is critical for moving examination objects. In the following, the situation is considered that a CT scan of a moving examination object should be made.
Ein Beispiel für ein sich periodisch bewegendes Untersuchungsobjekt ist das menschliche Herz. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Cardio-CT, also einer CT-Aufnahme des schlagenden Herzens, näher erläutert. Selbstverständlich ist sie nicht auf diese Anwendung beschränkt. Bekanntlich führt das menschliche Herz im Wesentlichen eine periodische Bewegung aus. Die periodische Bewegung besteht dabei aus einer abwechselnden Folge einer Ruhe- bzw. Erschlaffungsphase und einer Bewegungs- bzw. Schlagphase. Die Ruhephase hat eine Dauer von üblicherweise zwischen 500 bis 800 ms, die Schlagphase eine Dauer von 200 bis 250 ms. Dies ist aus
Neben den auch für unbewegte Untersuchungsobjekte bestehenden Anforderungen an die Qualität von CT-Bildern besteht bei Herzaufnahmen das Ziel, eine hohe Zeitauflösung der Bilder zu erreichen. Die Zeitauflösung ist hierbei umgekehrt proportional zur Zeitspanne, welche zur Erfassung der Projektionen benötigt wird. Je mehr Zeit während der Datenerfassung verstreicht, desto mehr bewegt sich das Herz während dieser Messzeit. Diese Bewegung führt zu unerwünschten Bewegungsartefakten in den CT-Bildern. Die Aussagekraft der CT-Bilder wird hierdurch drastisch reduziert.In addition to the requirements for the quality of CT images, which also exist for immobile examination objects, heart imaging aims to achieve a high temporal resolution of the images. The time resolution is inversely proportional to the time required to capture the projections. The more time passes during the data acquisition, the more the heart moves during this measurement time. This movement leads to unwanted motion artifacts in the CT images. The informative value of the CT images is thereby drastically reduced.
Üblicherweise muss zur CT-Bildrekonstruktionen bei einer Messung in Parallelstrahlgeometrie ein Datenintervall, d. h. eine Reihe von aufeinanderfolgenden Projektionen, wobei jede Projektion einer Messung bei einem bestimmten Projektionswinkel entspricht, zur Verfügung stehen, das mindestens einem Halbumlauf der Röntgenquelle um das Untersuchungsobjekt, d. h. eifern Projektionswinkelbereich von 180°, entspricht. Bei einer Fächerstrahlgeometrie muss der Projektionswinkelbereich 180° plus dem Fächeröffnungswinkel betragen. Beide Fälle werden im Folgenden unter der Bezeichnung „Daten eines Halbumlaufs” oder „vollständiger Datensatz” zusammengefasst. Dieses Mindestdatenintervall ist nötig, um jeden Bildpunkt im Messfeldrekonstruieren zu können. Im Drehzentrum ist auch in Fächerstrahlgeometrie ein Projektionswinkelbereich von 180° ausreichend. Die bestmögliche zeitliche Auflösung in einem so rekonstruierten CT-Bild beträgt damit in Drehzentrumsnähe gerade der halben Rotationszeit des CT-Geräts. Im Falle einer Rotationsgeschwindigkeit der Gantry von 0,5 Sekunden pro Umdrehung kann also eine maximale Zeitauflösung von 0,25 Sekunden erriecht werden.Usually, for CT image reconstructions, when measuring in parallel beam geometry, a data interval, i. H. a series of successive projections, each projection corresponding to a measurement at a given projection angle, being available to at least one half-round of the x-ray source around the examination subject, i. H. eifern projection angle range of 180 °, corresponds. For a fan beam geometry, the projection angle range must be 180 ° plus the fan aperture angle. Both cases are summarized below under the name "data of a half-cycle" or "complete data set". This minimum data interval is necessary in order to be able to reconstruct each pixel in the measurement field. In the center of rotation, even in fan beam geometry, a projection angle range of 180 ° is sufficient. The best possible temporal resolution in such a reconstructed CT image is thus just half the rotation time of the CT device in the vicinity of the center of rotation. In the case of a rotation speed of the gantry of 0.5 seconds per revolution, so a maximum time resolution of 0.25 seconds can be erriecht.
Ein verbreiteter Ansatz zur Verminderung von Bewegungsartefakten ist die Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit der Gantry. Dies stellt jedoch hohe und teilweise unlösbare Anforderungen an die Mechanik der Gantry und ist aus diesem Grund sehr kostenintensiv.A common approach to reducing motion artifacts is to increase the gantry rotation speed. However, this requires high and sometimes unsolvable requirements for Mechanics of the gantry and is therefore very expensive.
Ein weiterer hardwarebasierter Ansatz zur Erhöhung der Zeitauflösung ist die Verwendung eines zweiten Röhre/Detektor Systems, welches um 90° gegenüber dem ersten System versetzt angeordnet ist. Hierbei handelt es sich um ein so genanntes Dual Source System. Die beiden um 90° versetzten Systeme nehmen gleichzeitig Messdaten auf, so das eine Projektionswinkelabdeckung von 180° bereits nach einer Gantrydrehung von 90° erreicht wird, was einer Verdopplung der Zeitauflösung entspricht.Another hardware-based approach to increasing the time resolution is the use of a second tube / detector system which is offset by 90 ° from the first system. This is a so-called dual source system. The two systems offset by 90 ° simultaneously record measured data, so that a projection angle coverage of 180 ° is already reached after a Gantrydrehung of 90 °, which corresponds to a doubling of the time resolution.
Ein weiterer Ansatz, der vor allem bei der Herzbildgebung Anwendung findet, ist das Aufspalten der Datenakquise in mehrere Abschnitte über jeweils weniger als 180°, welche in Summe einen Projektionswinkelbereich von 180° ergeben und welche jeweils denselben Bewegungszustand des Herzens, jedoch bei aufeinanderfolgenden Herzschlägen abbilden. Hierbei handelt es sich um die so genannte Mehrsegmentrekonstruktion.Another approach, which is mainly used in cardiac imaging, is the splitting of the data acquisition into several sections, each less than 180 °, which in total result in a projection angle range of 180 ° and which respectively map the same state of motion of the heart, but in successive heart beats , This is the so-called multi-segment reconstruction.
Kürzlich wurde in der Veröffentlichung
Im Folgenden wird ein anderes Verfahren zur Erhöhung der Zeitauflösung beschrieben, welches sich u. a. einer iterativen Rekonstruktion bedient. Für diese iterative Rekonstruktion wird ein unvollständiger Datensatz verwendet. Um trotz der Unvollständigkeit des Datensatzes ein weitgehend artefaktfreies Bild zu erhalten, wird eine geeignete Randbedingung im Rahmen des iterativen Algorithmus eingeführt.In the following, another method for increasing the time resolution will be described, which u. a. operated an iterative reconstruction. An incomplete data set is used for this iterative reconstruction. In order to obtain a largely artifact-free image despite the incompleteness of the data set, an appropriate boundary condition is introduced within the framework of the iterative algorithm.
Das Verfahren wird anhand des Ablaufdiagramms der
In Schritt ZER erfolgt eine Zerlegung der Daten SIN in einen Anteil SIN UB, welcher nur die unbewegten Anteile des Untersuchungsobjektes enthält, und einen Anteil SIN B, der nur die bewegten Anteile des Untersuchungsobjektes enthält. Bei der Cardio-CT handelt es sich bei den bewegten Anteilen insbesondere um die Koronararterien.In step ZER, a decomposition of the data SIN into a component SIN UB, which contains only the immobile portions of the examination subject, and a portion SIN B, which contains only the moving portions of the examination subject. In cardio-CT, the moving parts are in particular the coronary arteries.
Die Zerlegung ZER der Daten SIN kann auf verschiedene Weisen erfolgen, welche im folgenden beispielhaft vorgestellt werden. Es soll jeweils eine Aufspaltung der Daten SIN in einen niederfrequenten Anteil erfolgen, der den unbewegten Bestandteilen des Untersuchungsobjektes entspricht, und in einen hochfrequenten Anteil, welcher den bewegten Teilen des Untersuchungsobjektes entspricht. „Niederfrequent” und „hochfrequent” bezieht sich hierbei jeweils auf den Fourierraum.The decomposition ZER of the data SIN can take place in various ways, which are presented by way of example below. In each case, a splitting of the data SIN into a low-frequency component, which corresponds to the stationary components of the examination object, and into a high-frequency component, which corresponds to the moving parts of the examination subject. "Low frequency" and "high frequency" refers to the Fourier space.
Im Bildraum sind bewegte Strukturen typischerweise kleiner als unbewegte Strukturen, daher kann ein Bild näherungsweise durch Tief- bzw. Hochpassfilterung in seine unbewegten bzw. bewegten Anteile zerlegt werden. Kleinere Strukturen im Objekt formen analog auch kleinere Strukturen im Sinogrammraum, so dass diese Zerlegung in unbewegte und bewegte Objektanteile zumindest näherungsweise auch im Sinogrammraum möglich ist.In image space, moving structures are typically smaller than stationary structures, so an image can be roughly decomposed into its still or moving parts by low-pass or high-pass filtering. Smaller structures in the object analogously also form smaller structures in the sinogram space, so that this decomposition into stationary and moving object portions is possible at least approximately also in the sinogram space.
Die Daten SIN sollen jeweils so in die beiden Teilsinogramme SIN B und SIN UB aufgeteilt werden, dass entweder beide Teilsinogramme SIN B und SIN UB oder zumindest das Teilsinogramm SIN B keine negativen Anteile enthält.The data SIN should in each case be divided into the two subinograms SIN B and SIN UB such that either both subinograms SIN B and SIN UB or at least the subinogram SIN B contains no negative components.
Gemäß einer ersten Vorgehensweise wird zunächst im Frequenzraum eine Tiefpassfilterung der gesamten Daten SIN durchgeführt. Zur Sicherstellung der Positivität der beiden Teilsinogramme SIN B und SIN UB werden zunächst die tiefpassgefilterten Daten skaliert, und dann von den Daten SIN abgezogen. Die Skalierung erfolgt hierbei derart, dass sich durch die Differenzbildung keine negativen Werte ergeben. Diese Differenz entspricht den Daten, nachdem sie einer Hochpassfilterung unterworfen wurden. Als Daten SIN B wird diese Differenz verwendet, und als Daten SIN UB die skalierten tiefpassgefilterten Daten.According to a first procedure, low-pass filtering of the entire data SIN is first performed in the frequency domain. To ensure the positivity of the two sub-indices SIN B and SIN UB, the low-pass filtered data is first scaled, and then subtracted from the data SIN. The scaling takes place in such a way that no negative values result from the subtraction. This difference corresponds to the data after being subjected to high-pass filtering. This difference is used as data SIN B, and the data SIN UB is the scaled low-pass filtered data.
Gemäß einer zweiten Vorgehensweise wird ein morphologischer Filter, d. h. ein Formfilter, auf die Daten SIN angewendet, der diese in einen nicht-negativen niederfrequenten Anteil SIN UB und einen nicht-negativen hochfrequenten Anteil SIN B zerlegt. Der morphologische Filter kann hierbei direkt auf die Daten SIN angewendet werden, ohne dass zuvor eine Fouriertransformation nötig ist. Der Begriff „morphologischer Filter” bezeichnet hierbei eine Filteroperation, bei der ein gegebenes Signal einem gegebenen Strukturelement angepasst wird; beispielsweise wird eine eindimensionale Funktion so geglättet, dass ein kreisförmiges Strukturelement an der geglätteten Funktion „entlanggerollt” werden kann. Typische morphologische Filteroperationen sind beispielsweise „opening” und „closing”.According to a second approach, a morphological filter, ie a shape filter, is applied to the data SIN, which decomposes them into a non-negative low-frequency component SIN UB and a non-negative high-frequency component SIN B. The morphological filter can be applied directly to the data SIN, without the need for a Fourier transformation. The term "morphological filter" here refers to a filtering operation in which a given signal is adapted to a given structural element; for example For example, a one-dimensional function is smoothed so that a circular feature can be "rolled" along the smoothed function. Typical morphological filter operations are, for example, "opening" and "closing."
Gemäß einer dritten Vorgehensweise wird eine bedingte lokale Medianfilterung angewandt. Liegt eine Menge von Werten vor, so ordnet man diese zur Ermittlung des Medians der Größe nach, wobei der in der Mitte der geordneten Reihe liegende Wert den Median darstellt. Zur bedingten lokalen Medianfilterung wird folgendermaßen vorgegangen: Es wird in einer bestimmten Nachbarschaft eines Datenpunktes des Sinogramms SIN der Median gebildet. Diese Nachbarschaft kann sich z. B. über 9 oder 11 Datenwerte erstrecken. Aufgrund der Eigenschaft des Medians eignet sich die Verwendung einer ungeraden Anzahl; natürlich kann aber auch eine gerade Anzahl verwendet werden. Liegt dieser Medianwert unterhalb des Datenwertes des jeweiligen Datenpunktes, so wird als Wert für die tiefpassgefilterten Daten der Median an Stelle des ursprünglichen Datenwertes eingetragen. Übersteigt der Median hingegen den Datenwertes des jeweiligen Datenpunktes, so wird als Wert für die tiefpassgefilterten Daten der ursprüngliche Datenwert eingetragen. Auf diese Weise wird für jeden Datenpunkt des Sinogramms SIN vorgegangen, um schließlich die vollständigen tiefpassgefilterten Daten zu erhalten. Desweiteren wird wie zur ersten Vorgehensweise beschrieben fortgefahren, d. h. es erfolgt eine Skalierung der tiefpassgefilterten Daten (wobei die Skalierung gegebenenfalls auch mit dem Faktor 1 erfolgen kann) und die Differenzbildung zwischen diesen skalierten tiefpassgefilterten Daten und den Daten SIN. Die Daten SIN B entsprechen dieser Differenz, und die Daten SIN UB den skalierten tiefpassgefilterten Daten.According to a third approach, a conditional local median filtering is applied. If there are a set of values, they are sized to determine the median, with the value in the middle of the ordered row representing the median. For conditional local median filtering, the procedure is as follows: The median is formed in a specific neighborhood of a data point of the sinogram SIN. This neighborhood can be z. B. extend over 9 or 11 data values. Due to the property of the median, the use of an odd number is suitable; Of course, however, even an even number can be used. If this median value lies below the data value of the respective data point, the value for the low-pass filtered data is entered as the median instead of the original data value. On the other hand, if the median exceeds the data value of the respective data point, then the original data value is entered as the value for the low-pass filtered data. In this way, for each data point of the sinogram SIN is proceeded to finally obtain the complete low-pass filtered data. Furthermore, proceeding as described for the first procedure, d. H. there is a scaling of the low-pass filtered data (where the scaling can also be done with the factor 1) and the difference between this scaled low-pass filtered data and the data SIN. The data SIN B corresponds to this difference, and the data SIN UB to the scaled low-pass filtered data.
Gemäß einer vierten Vorgehensweise wird zunächst eine gefilterte Rückprojektion basierend auf den Daten SIN durchgeführt, wodurch ein Bild erhalten wird. Im Bildraum erfolgt eine Tiefpassfilterung. Die Stärke dieser Tiefpassfilterung sollte dabei so gewählt sein, dass im tiefpassgefilterten Bild keine Bewegungsartefakte mehr erkennbar sind. Anschließend wird auf das tiefpassgefilterte Bild eine Vorwärtsprojektion angewandt, um wieder in den Datenraum zu gelangen. Diese Daten entsprechen den tiefpassgefilterten Daten. Ausgehend von diesen tiefpassgefilterten Daten wird der Vorgehensweise der ersten und vierten Vorgehensweise gefolgt, um zu den Daten SIN B und SIN UB zu gelangen.According to a fourth approach, a filtered backprojection based on the data SIN is first performed, thereby obtaining an image. In the image space, a low-pass filtering takes place. The strength of this low-pass filtering should be chosen so that no motion artifacts are recognizable in the low-pass filtered image. Subsequently, a forward projection is applied to the low-pass filtered image to return to the data space. These data correspond to the lowpass filtered data. Based on these low-pass filtered data, the procedure of the first and fourth procedures is followed to arrive at the data SIN B and SIN UB.
Alternativ kann in der vierten Vorgehensweise nach der gefilterten Rückprojektion auf den Daten SIN im Bildraum eine Hochpassfilterung erfolgen, wobei die Stärke der Hochpassfilterung so gewählt sein sollte, dass möglichst alle Bewegungsartefakte im hochpassgefilterten Bild enthalten sind. Anschließend sollte sichergestellt werden, dass im hochpassgefilterten Bild nur solche Anteile kleiner Null enthalten sind, die auf Bewegungsartefakte zurückzuführen sind. Auf das so gefilterte Bild wird eine Vorwärtsprojektion durchgeführt, um zu den Daten SIN UB zu gelangen. Die Daten SIN B werden dann durch Differenzbildung zwischen den Daten SIN und den Daten SIN UB erhalten.Alternatively, in the fourth approach after the filtered backprojection on the data SIN in the image space, a high-pass filtering, wherein the strength of the high-pass filtering should be selected so that as far as possible all motion artifacts are included in the high-pass filtered image. It should then be ensured that the high-pass filtered image contains only those components of low zero attributable to motion artifacts. On the thus filtered image, a forward projection is performed to get to the data SIN UB. The data SIN B are then obtained by subtraction between the data SIN and the data SIN UB.
Aus den Daten SIN UB, welche nur die unbewegten Anteile des Untersuchungsobjektes enthalten, wird durch eine herkömmliche Bildrekonstruktion REKON ein CT-Bild PIC UB berechnet. Hierzu kann beispielsweise eine klassische FBP eingesetzt werden. Das Bild PIC UB enthält die unbewegten Teile des Untersuchungsobjektes, weshalb bei der Berechnung REKON der Zeitauflösung keine Beachtung geschenkt werden muss.From the data SIN UB, which contain only the stationary parts of the examination object, a CT image PIC UB is calculated by a conventional image reconstruction REKON. For this example, a classic FBP can be used. The image PIC UB contains the stationary parts of the examination subject, which is why no attention must be paid to the time resolution in the calculation REKON.
Im Gegensatz hierzu spielt die Zeitauflösung für die Bildrekonstruktion in Bezug auf die bewegten Anteile eine große Rolle. Um Bewegungsartefakte zu vermeiden, wird folgendermaßen vorgegangen: Zur Rekonstruktion des Bildes der bewegten Anteile wird ein unvollständiger Datensatz herangezogen. Dieser unvollständige Datensatz stellt eine Teilmenge des vollständigen Datensatzes SIN dar. Die Zeitauflösung des hieraus erhaltenen Bildes PIC B ist direkt abhängig vom Winkelbereich, über welchen sich der Datensatz erstreckt. Beträgt beispielsweise der Winkelbereich des unvollständiger Datensatzes 120°, so entspricht die Zeitauflösung des Bildes PIC B 120°/180° = 2/3 der Zeitauflösung des Bildes PIC UB.In contrast, the time resolution for image reconstruction in relation to the moving parts plays a major role. In order to avoid motion artifacts, the procedure is as follows: An incomplete data set is used to reconstruct the image of the moving parts. This incomplete data set represents a subset of the complete data set SIN. The time resolution of the image PIC B obtained therefrom directly depends on the angular range over which the data record extends. If, for example, the angular range of the incomplete data set is 120 °, then the time resolution of the image PIC B corresponds to 120 ° / 180 ° = 2/3 of the time resolution of the image PIC UB.
Zur Rekonstruktion des Bildes PIC B basierend auf dem unvollständigen Datensatz wird ein iterative Bildrekonstruktionsalgorithmus IT REKON herangezogen. Hierzu kann z. B. ein Startbild, d. h. ein Ausgangsbild der iterativen Rekonstruktion, auf klassische Weise, z. B. unter Verwendung einer FBP basierend auf dem vollständigen Datensatz SIN B, rekonstruiert werden, und im Anschluss nur ein eingeschränkter Teil des Datensatzes SIN B für die weiteren Iterationsschritte herangezogen werden. Alternativ kann auch der eingeschränkte Teil des Datensatzes SIN B zur Berechnung des Startbildes herangezogen werden.For the reconstruction of the image PIC B based on the incomplete data set, an iterative image reconstruction algorithm IT REKON is used. For this purpose, z. A startup image, d. H. an initial image of the iterative reconstruction, in the classical way, eg. B. using an FBP based on the complete data set SIN B, and subsequently only a limited part of the data set SIN B be used for the further iteration steps. Alternatively, the restricted part of the data set SIN B can also be used to calculate the start image.
Eine herkömmliche iterative Rekonstruktion ausgehend von einem unvollständigen Datensatzes würde nicht zu einem zufriedenstellenden Ergebnis führen, da das resultierende Bild aufgrund der Unvollständigkeit des Datensatzes so genannte „limited angle Artefakte” aufweist. Diese rühren daher, dass nicht von allen Projektionswinkeln des Halbumlaufs eine Sicht auf das Untersuchungsobjekt erfasst wurde.A conventional iterative reconstruction based on an incomplete data set would not give a satisfactory result because the resulting image has so-called "limited angle artifacts" due to the incompleteness of the data set. These are due to the fact that not all projection angles of the half-circle have been detected.
Um diese „limited angle Artefakte” zu vermeiden, wird die iterative Rekonstruktion IT REKON unter Verwendung einer geeigneten Randbedingung durchgeführt. Hierzu wird das A-Priori-Wissen verwendet, dass alle Bildpunktwerte positiv sein müssen. Dies wird als Forderung in den iterativen Algorithmus eingebaut. To avoid these "limited angle artifacts", the iterative reconstruction IT REKON is performed using a suitable constraint. For this purpose, the a priori knowledge is used that all pixel values must be positive. This is built into the iterative algorithm as a requirement.
Unter den Bildpunktwerten wird in diesem Zusammenhang der Schwächungskoeffizient μ des Untersuchungsobjektes am jeweiligen Bildpunkt verstanden. Demgegenüber wird der CT-Wert oder die CT-Zahl in Hounsfield Units definiert als Dieser kann gemäß dieser Definition selbstverständlich negative Werte aufweisen, wenn der Schwächungskoeffizient μ des betreffenden Materials kleiner als derjenigen von Wasser ist.In this context, the pixel values are understood to be the attenuation coefficient μ of the object to be examined at the respective pixel. In contrast, the CT value or the CT number in Hounsfield units is defined as This may, of course, according to this definition have negative values if the attenuation coefficient μ of the material in question is smaller than that of water.
Sind Bildpunktwerte kleiner Null vorhanden, werden diese auf Null gesetzt. Der Grund für diese Randbedingung ist der folgende:
Die bewegten Anteile des Untersuchungsobjektes sind üblicherweise nur kleine Regionen innerhalb des gesamten Bildes bzw. Untersuchungsobjektes. Betrachtet man also das CT-Bild der bewegten Anteile, so sollten die Bildpunktwerte fast überall gleich Null sein, mit Ausnahme derjenigen kleinen Regionen, innerhalb derer sich die bewegten Bestandteile befinden. Man weiß also, dass im Bild der bewegten Anteile, falls dieses korrekt berechnet wurde, sehr viele Bildpunkte mit Bildpunktwert Null vorhanden sind.If pixel values smaller than zero are present, they are set to zero. The reason for this constraint is the following:
The moving parts of the examination object are usually only small regions within the entire image or examination object. Thus, looking at the CT image of the moving parts, the pixel values should be almost zero everywhere, except for those small regions within which the moving parts are located. It is therefore known that in the image of the moving parts, if this has been calculated correctly, there are very many pixels with zero pixel value.
Die limited angle Artefakte wirken sich derart aus, dass in dem jeweiligen Bild manche der niedrigen CT-Werte zu klein, also fälschlicherweise nach unten verschoben, und manche der hohen CT-Werte zu groß, also fälschlicherweise nach oben verschoben, sind. Wendet man diese Erkenntnis auf das bewegte CT-Bild an, so ergibt sich, dass durch die limited angle Artefakte einige der vielen Bildpunktwerte, die eigentlich Null sein müssten, zu negativen Werten hin verschoben sind. Negative Werte innerhalb eines CT-Bildes sind jedoch sinnlos und dürfen nicht vorkommen; sie würden bedeuten, dass sich innerhalb des Untersuchungsobjektes eine Röntgenstrahlungsquelle befindet.The limited-angle artifacts have the effect that in the respective image some of the low CT values are too small, that is to say incorrectly shifted downwards, and some of the high CT values are too large, ie incorrectly shifted upwards. Applying this finding to the moving CT image reveals that the limited-angle artifacts shift some of the many pixel values, which should actually be zero, to negative values. Negative values within a CT image, however, are meaningless and must not occur; they would mean that there is an X-ray source within the examination subject.
Daher ist es zur Vermeidung von limited angle Artefakten sinnvoll, zu fordern, dass keine negativen Bildpunktwerte existieren. Diese Bedingung wird als Randbedingung bei der iterativen Rekonstruktion IT REKON verwendet. Von Vorteil hierbei ist ferner, dass durch die durch die Randbedingung erzwungene Verschiebung der negativen Bildpunktwerte zu größeren Werten hin gleichzeitig zwangsläufig eine Verschiebung von großen Bildpunktwerten zu etwas kleineren Bildpunktwerten erfolgt. Dies bedeutet eine Reduzierung der limited angle Artefakte auch für diesen Bereich der großen Bildpunktwerte.Therefore, to avoid limited angle artifacts, it is useful to require that no negative pixel values exist. This condition is used as a constraint in the iterative reconstruction IT REKON. A further advantage here is that, due to the displacement of the negative pixel values forced by the boundary condition towards larger values, a shift from large pixel values to somewhat smaller pixel values is inevitably effected at the same time. This means a reduction of the limited angle artifacts also for this range of the large pixel values.
Es erfolgt eine Modifikation von herkömmlichen iterativen Rekonstruktionsverfahren durch Einführen der beschriebenen Randbedingung. Bei einer algebraischen iterativen Rekonstruktion z. B. erfolgt dies durch Hinzufügen eines Randbedingungsterms als Regularisierungsfunktional zu der Kostenfunktion, welche im Rahmen der iterativen Rekonstruktion zu minimieren ist. Algebraische iterative Rekonstruktionsalgorithmen minimieren den quadratischen Fehler zwischen den gemessenen Projektionen Y und berechneten Projektionen. Liegt ein berechnetes Bild X vor, so erhält man die berechneten Projektionen durch die Anwendung eines Projektionsoperators A auf das Bild X. Bei A handelt es sich um einen Operator, welcher den Messprozess möglichst gut nachbildet. Die Kostenfunktion K der algebraischen Rekonstruktion kann folgendermaßen geschrieben werden:
Es wird also versucht, das berechnete Bild X möglichst gut den Messdaten Y anzugleichen.It is therefore attempted to match the calculated image X as well as possible to the measurement data Y.
Die Anwendung iterativer Algorithmen – wie der algebraischen Rekonstruktionstechnik (ART) oder der simultanen algebraischen Rekonstruktionstechnik (SART) auf einen unvollständigen Datensatz führt wie oben bereits beschrieben aufgrund der Unvollständigkeit des Datensatzes Y ohne die Einführung von Randbedingungen zu nicht befriedigenden Lösungen. Es treten im Ergebnisbild die limited angle Artefakte auf.The application of iterative algorithms - such as the Algebraic Reconstruction Technique (ART) or the simultaneous Algebraic Reconstruction Technique (SART) to an incomplete data set leads to unsatisfactory solutions due to the incompleteness of the data set Y without the introduction of constraints. The limited angle artifacts occur in the result image.
Um dennoch eine befriedigende Lösung zu finden, wird eine Regularisierung der Kostenfunktion K eingesetzt. Das bedeutet, dass die Kostenfunktion K durch einen zweiten Term erweitert wird, welcher einen Regulierungsterm R(X) beinhaltet
Der Regulierungsterm R(X) bestraft negative Werte innerhalb des Bildes X. β ist ein Regulierungsparameter, der eine Balance schaffen soll zwischen dem Differenzterm und dem Regulierungsterm.The regulation term R (X) penalizes negative values within the image X. β is a regulatory parameter intended to strike a balance between the difference term and the regulation term.
Eine einfache Variante zur Formulierung von R(X) ist:
R(X) = minus unendlich, wenn X < 0; R(X) = 0, sonst.A simple variant for the formulation of R (X) is:
R (X) = minus infinity if X <0; R (X) = 0, otherwise.
Es soll betont werden, dass die Erfindung nicht auf den Einsatz von algebraischen iterativen Rekonstruktionsalgorithmen beschränkt ist. In analoger Weise können auch die Kostenfunktionen anderer iterativer Rekonstruktionsverfahren, wie z. B. der statistischen Rekonstruktion modifiziert werden.It should be emphasized that the invention is not limited to the use of algebraic iterative reconstruction algorithms. In an analogous manner, the cost functions of other iterative reconstruction methods, such. B. the statistical reconstruction can be modified.
Nach Rekonstruktion der Bilder PIC B und PIC UB werden diese zu einem Ergebnisbild PIC zusammengefasst. Dies kann durch eine einfache oder gewichtete Addition erfolgen. After reconstruction of the images PIC B and PIC UB these are combined into a result image PIC. This can be done by a simple or weighted addition.
Das Ergebnisbild PIC ist weitgehend frei von Bewegungsartefakten. Denn die bewegten Bestandteile wurden mit einer erhöhten Zeitauflösung rekonstruiert. Der Vorteil der Zerlegung des Sinogramms SIN in einen bewegten und einen unbewegten Anteil SIN B und SIN UB liegt darin, dass zur Rekonstruktion des bewegten Bildes PIC B Techniken angewendet werden können, welche für das gesamte Bild nicht möglich wären. Dies basiert auf der Verwendung einer geeigneten Randbedingung, wonach die Bildpunktwerte größer als Null sein müssen, welche deshalb relevant ist, weil im bewegten Bild viele Bildpunktwerte gleich Null sein müssen.The result image PIC is largely free of motion artifacts. Because the moving components were reconstructed with an increased time resolution. The advantage of the decomposition of the sinogram SIN into a moving and a stationary part SIN B and SIN UB lies in the fact that for the reconstruction of the moving image PIC B techniques can be used which would not be possible for the entire image. This is based on the use of a suitable constraint that the pixel values must be greater than zero, which is relevant because many pixel values must be zero in the moving image.
Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird.The invention has been described above by means of an embodiment. It is understood that numerous changes and modifications are possible without departing from the scope of the invention.
Beispielsweise kann die Messdatenzerlegung entfallen, wenn die Messdaten von vornherein so beschaffen sind dass man SIN = SIN B annehmen kann. Dies ist z. B. der Fall, wenn nur sehr wenige Objekte aufgenommen worden sind, was insbesondere für die industrielle CT relevant ist.For example, the measurement data decomposition can be omitted if the measurement data are such that SIN = SIN B can be assumed. This is z. As is the case when very few objects have been recorded, which is particularly relevant for industrial CT.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- G. Chen, J. Tang, J. Hsieh: Temporal resolution improvement using PICCS in MDCT cardiac imaging, Med. Phys. 36 (6), Juni 2009, S. 2130–2135 [0051] G. Chen, J. Tang, J. Hsieh: Temporal resolution improvement using PICCS in MDCT cardiac imaging, Med. Phys. 36 (6), June 2009, pp. 2130-2135 [0051]
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