-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von durch Artefakte hervorgerufenen Störungen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Anwendung dieses Verfahrens bei Kiefer- bzw. Zahnuntersuchungen.
-
Beispielsweise mit Hilfe der Computertomografie können Schnittbilder eines Objekts, üblicherweise Teile eines menschlichen Körpers, erzeugt werden. Hierbei wird eine Anzahl von Röntgenstrahluntersuchungen aus unterschiedlichen Winkeln durchgeführt. Beispielsweise wird eine Röntgenstrahlquelle um einen menschlichen Kopf rotiert. Ein Schnittbild, d. h. ein Computertomografie-Bild einer Ebene, wird durch die sog. Rückprojektion der erhaltenen Daten erzeugt. Rückprojektionsverfahren sind beispielsweise in E. Natterer, ”The Mathematics of Computerized Tomography”, New York: Wiley, 1986 und in W. Kalender et al., ”Reduction of CT Artifacts Caused by Metallic Implants”, Radiology, vol. 164, No. 2, Aug. 1987, pp. 576–577 beschrieben.
-
Befindet sich in dem Bereich, der durch ein Computertomografie-Bild erfasst werden soll, ein Bereich mit gegenüber dem herkömmlichen Gewebe, den Knochen oder den Zähnen vergleichsweise hoher Dichte, so werden die Räntgenstrahlen oder andere geeignete Untersuchungsstrahlen in diesen Bereichen stärker abgeschwächt als in den umgebenden vergleichsweise weichen Bereichen, den Knochen, den Zähnen etc. Bei den dichteren Bereichen handelt es sich beispielsweise um Zahnfüllungen aus Metall. Durch die starke Abschwächung der Strahlung, die durch derartige Artefakte hervorgerufen werden, entstehen in der Bildprojektion Lücken. Dieses Artefakt erzeugt in der Bildprojektion Streifen. Innerhalb dieser Streifen geht eine Vielzahl von Informationen verloren. Die Bildqualität im Bereich der Artefakte und insbesondere der hervorgerufenen Streifen ist derart schlecht, dass sichere medizinische Rückschlüsse nicht mehr gezogen werden können. Beispielsweise sind Knochensegmentationen mit klassischen Methoden, wie Schwellwertmethoden, nicht mehr möglich bzw. führen zu keinen zuverlässigen Ergebnissen (Otsu, N. „A thresholding selection method from gray-level histogram”, IEEE Transactions an Systems, Man, and Cybernetics, 9(1): 62–66, 1979).
-
Zur Verbesserung der Bildqualität ist es bekannt, die Metallfüllungen manuell in den Bildern oder den Rohdaten herauszunehmen. Dieses Verfahren ist jedoch äußerst aufwändig und unzuverlässig.
-
Eine weitere Methode zur Verbesserung der Bilddaten ist die gefilterte Rückprojektion, die in herkömmlichen Computertomografie-Scannern implementiert ist. Hierbei werden mit Hilfe eines Algorithmus die Rohdaten in einem geeigneten Filter gefiltert und anschließend die gefilterten Daten aus dem Frequenzbereich in den 2D-Bildbereich zurückprojiziert. Dieses Verfahren ist jedoch durch die Anzahl der Projektionswinkel begrenzt. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in F. Matterer, ”The Mathematics of Computerized Tomography”, New York: Wiley, 1986 beschrieben.
-
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Reduktion von Artefakten bei der Computertomografie ist in G. Wang et al., ”Iterative Deblurring for CT Metal Artifact Reduktion”, IEEE Transactions an Medical Imaging, vol. 15, No. 5, Oct. 1995, pp. 657–664 beschrieben. Dieses Verfahren basiert auf einer Schätzung einer die Unschärfe verbessernden Formel der gefilterten Rückprojektionstechnik. Jeder Schritt des Algorithmusses maximiert die Schätzfunktion, die zum nächsten Wert führt. Hierbei wird die erforderliche Anzahl an Schritten durchgeführt, um ein Konvergenzkriterium zu erreichen. Nach Erreichen des Konvergenzkriteriums wird die Rekonstruktion durchgeführt. Auf Grund der Vielzahl der erforderlichen Iterationsschritte ist dieses Verfahren sehr langsam, führt jedoch zu relativ guten Ergebnissen.
-
Ein weiteres Verfahren zur Reduzierung von Artefakten ist in W. Kalender et al., ”Reduction of CT Artifacts Caused by Metallic Implants”, Radiology, vol. 164, No. 2, Aug. 1987, pp. 576–577 beschrieben. Hierbei wird eine gefilterte Rückprojektion eingesetzt, wobei de Metallobjekte manuell in dem erzeugten Bild detektiert und rückprojiziert werden. Diese Projektionen werden dann linear mit den in der Umgebung der Artefakte befindlichen Bilddaten interpoliert. Als nächstes werden die gefilterten Daten in einer Rückprojektion auf das Bild projiziert.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Reduzierung von durch Artefakte hervorgerufene Störungen in medizintechnischen Schnittbildern, insbesondere Computertomografie-Schnittbildern, zu schaffen, durch das die Qualität der Schnittbilder verbessert ist.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte.
-
In einem ersten Schritt wird mit bekannten Verfahren, insbesondere der Computertomografie, eine Schnittbild-Projektion eines Schnittbildes erzeugt, wobei es sich bei der Schnittbild-Projektion beispielsweise um das entsprechende Sinogramm oder die Rohdaten handeln kann. Im nächsten Schritt werden die Artefakte, wie beispielsweise die Metallfüllungen in Zähnen, detektiert. Das Detektieren erfolgt vorzugsweise automatisch. Auf Grundlage der detektierten Artefakte wird eine Artefakte-Projektion, d. h. insbesondere die Rohdaten der Artefakte, erzeugt. Im nächsten, erfindungswesentlichen Schritt wird die Schnittbild-Projektion mit der Artefakte-Projektion verknüpft. Hierdurch entsteht eine reduzierte Projektion, die im Wesentlichen um die Artefakte reduziert ist. Anschließend erfolgt eine insbesondere gefilterte Projektion der reduzierten Projektion in ein reduziertes Schnittbild. In dem reduzierten Schnittbild sind die Artefakte und die durch diese hervorgerufenen störenden Streifen, die Informationsverluste nach sich ziehen, zumindest verringert. Vorzugsweise sind die störenden Streifen vollständig eliminiert. Hierdurch ist die Qualität des erzeugten Schnittbildes erheblich verbessert.
-
Vorzugsweise erfolgt das Verknüpfen der Schnittbild-Projektion mit der Artefakte-Projektion durch ein Subtraktionsverfahren. Hierbei werden beispielsweise die einzelnen miteinander korrespondierenden Pixel der beiden Projektionen voneinander subtrahiert, wobei insbesondere die Artefakte-Projektion von der Schnittbild-Projektion subtrahiert wird. Im Ergebnis wird eine reduzierte Projektion erhalten, die zumindest deutlich geringere Störungen in Form von Streifen aufweist. Im Idealfall kann eine vollständige Entfernung der durch die Artefakte hervorgerufenen Störungen erzielt werden. Vorzugsweise ist dies dadurch möglich, dass beispielsweise die einzelnen Bildpunkte der Artefakte-Projektion vor dem Subtrahieren von den einzelnen Bildpunkte der Schnittbild-Projektion mit einem Faktor multipliziert werden. Dieser Faktor kann insbesondere empirisch ermittelt werden. Insbesondere bei Schnittbildern von Kiefern, bei denen die Störungen durch Metalleinlagerungen in den Zähnen hervorgerufen werden, beträgt dieser Faktor vorzugsweise 0,05 bis 0,2 und besonders bevorzugt etwa 0,1.
-
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Erzeugen der Artefakte-Projektion dadurch, dass im ursprünglichen Schnittbild die Artefakte detektiert werden und anschließend ein Artefakte-Bild erzeugt wird. Bei dem Artefakte-Bild handelt es sich beispielsweise um ein Bild der Zahnfüllungen. Das Artefakte-Bild wird sodann projiziert, um die Artefakte-Projektion zu erhalten. Vorzugsweise erfolgt die Detektion mit Hilfe eines automatischen Detektionsverfahrens. Dies kann beispielsweise über Bilderkennungsverfahren erfolgen. Besonders bevorzugt erfolgt das automatische Detektieren dadurch, dass an jedem einzelnen Bildpunkt oder einer Gruppe von Bildpunkten deren Intensität festgestellt wird. Da insbesondere Metallartefakte die Strahlung stark dämpfen, sind die Werte im Bereich der Artefakte minimal. Sämtliche Bildpunkte oder Gruppen von Bildpunkten mit minimalen Werten sind somit mit hoher Wahrscheinlichkeit Teil eines Artefakts.
-
Erfindungsgemäß wird das erzeugte Artefakte-Bild in das reduzierte Schnittbild eingefügt, um ein korrigiertes Schnittbild zu erzeugen.
-
Zur Verbesserung der Bildqualität wird erfindungsgemäß ein zweifach korrigiertes Schnittbild erzeugt. Hierzu erfolgt eine Verknüpfung der Artefakte-Projektion mit der Schnittbild-Projektion zur Erzeugung einer zweifach korrigierten Projektion. Zusätzlich wird das zuvor erzeugte korrigierte Schnittbild ebenfalls mit in die Verknüpfung integriert, um das Ergebnis weiter zu verbessern. Die durch die Verknüpfung hergestellte zweifach korrigierte Projektion wird sodann reprojiziert, um ein zweifach korrigiertes Schnittbild zu erzeugen.
-
Neben der besonders bevorzugten Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Dentalbereich ist das Verfahren insbesondere auch bei Gelenkprothesen, wie Hüftprothesen und dgl. anwendbar. Weitere Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Untersuchung von Wirbelsäulenskoliose und Knochenbehandlungen, bei denen Metallimplantate verwendet werden.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen am Beispiel einer Untersuchung eines menschlichen Kiefers näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 ein Schnittbild A und eine Schnittbild-Projektion A',
-
2 ein Artefakte-Bild B und eine Artefakte-Projektion B',
-
3 ein reduziertes Schnittbild C und eine reduzierte Projektion C',
-
4 ein korrigiertes Schnittbild D und eine korrigierte Projektion D',
-
5 ein zweifach korrigiertes Schnittbild E und eine zweifach korrigierte Projektion E',
-
6 ein Diagramm der Häufigkeit über der Intensitätsverteilung und
-
7 zwei Diagramme einer Interpolationsfunktion.
-
Ein zweidimensionales Schnittbild A (1) wird beispielsweise durch eine Computertomografie erzeugt. Hierbei wird eine Röntgenstrahlquelle im dargestellten Ausführungsbeispiel um einen menschlichen Kopf rotiert, so dass ein Schnittbild A erzeugt wird. Hierzu wird eine Anzahl von Röntgenstrahlmessungen aus unterschiedlichen Winkeln durchgeführt. Das Schnittbild A wird durch eine gefilterte Rückprojektion der bei der Computertomografie erhaltenen Schnittbild-Projektion A' erzeugt. Ein derartiges Rückprojektionsverfahren ist beispielsweise in F. Matterer, ”The Mathematics of Computerized Tomography”, New York: Wiley, 1986 beschrieben.
-
Bei der Schnittbildprojektion A' handelt es sich somit um eine Projektion des zweidimensionalen Originalbildes A einer Computertomografie, eines entsprechenden Sinogramms oder der entsprechenden Rohdaten. Die prinzipiell identischen Schnittbilder A können durch einen parallelen, einen konischen oder einen aufgefächerten Strahlverlauf der Röntgenstrahlung erzeugt werden. Selbstverständlich kann es sich auch um andere, nicht mit Hilfe der Computertomografie erzeugte Bilder, sondern beispielsweise andere Bildgebegeräte, insbesondere dreidimensionale Dental-Bildgebungsgeräte, handeln.
-
Durch im dargestellten Ausführungsbeispiel im Gebiss des Patienten vorhandene Metallfüllungen 10, d. h. Artefakte, werden in dem Schnittbild A Streifen 12 hervorgerufen. Die Artefakte 10 werden in dem Schnittbild A detektiert. Dies kann manuell erfolgen. Besonders bevorzugt ist es, mit Hilfe einer geeigneten Verteilungsbewertung die Artefakte 10 zu lokalisieren. Die Verteilungsbewertung beruht beispielsweise darauf, dass durch die Metallfüllungen die Röntgenstrahlungen stärker abgeschwächt werden als durch Fleisch, Knochen oder Zähne. Die Metallbereiche rufen in den Sinogrammen schwarze bzw. dunkle Bereiche und in den Bildern weiße bzw. helle Bereiche hervor. Die Verteilung aller Werte der Rohdaten wird erfasst. Dies erfolgt beispielsweise wie anhand des in 6 dargestellten Diagramms ersichtlich, indem auf der Abszisse die Intensität der einzelnen Werte und auf der Ordinate deren Häufigkeit eingetragen wird. Bei dem durch den Pfeil 16 gekennzeichneten niedrigsten Wert handelt es sich um den durch die Metallartefakte hervorgerufenen Wert. Durch dieses Verfahren können die Artefakte 10 automatisch lokalisiert werden. Hierdurch wird das Artefakte-Bild B (2) erzeugt.
-
Mit Hilfe einer Radon-Transformation wird das Artefakte-Bild B in die dazugehörige Artefakte-Projektion B' überführt. In der Artfakte-Projektion B' (2) sind durch die einzelnen Artefakte 10 hervorgerufene Linien 14 ersichtlich, die in dem Schnittbild A (1) die Streifen 12 hervorrufen.
-
Unter ”Radon-Transformation” wird ein Satz von polaren Projektionen eines Bildes verstanden. Insbesondere handelt es sich bei der Radon-Transformation um eine Algorithmus-Technik, die das rekonstruierte Bild zurück zu den originalen Rohdaten projiziert, die durch den Scanner erzeugt wurden.
-
Im nächsten Schritt wird die Schnittbild-Projektion A' (1) mit der Artefakte-Projektion B' (2) verknüpft. Besonders bevorzugt ist es hierbei, die Daten zu substrahieren. Hierbei wird beispielsweise pixelweise ein Wert der Artefakte-Projektion B' von dem entsprechenden Wert der Schnittbild-Projektion A' subtrahiert. Besonders bevorzugt ist es hierbei, den Wert der Artefakte-Projektion B' mit einem Faktor zu multiplizieren, um das Ergebnis zu verbessern. Bei diesem Faktor handelt es sich um einen empirisch ermittelten Wert, der vorzugsweise im Bereich von 0,1 liegt. Durch die Verknüpfung wird eine reduzierte Projektion C' (3) erzeugt. Durch eine geeignete gefilterte Rückprojektion wird aus der reduzierten Projektion C' das reduzierte Schnittbild C erzeugt. Eine geeignete Methode zur gefilterten Rückprojektion ist beispielsweise auch in W. Kalender et al., „Reduction of CT Artifacts Caused by Metallic Implants”, Radiology, vol. 164, No. 2, Aug. 1987, S. 576–577, beschrieben. Das Filtern der Daten entspricht einer Transformation der Daten in einer Weise, das spezifische Frequenzen aufgedeckt werden. Eine Rückprojektion ist das rückwärtige Aufsummieren der Werte entlang eines Projektionspfades.
-
Als nächster Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise das Artefakte-Bild B (2) in das reduzierte Schnittbild C (3) eingefügt. Das Einfügen erfolgt insbesondere durch eine Addition der entsprechenden Daten. Durch dieses Einfügen des Artefakte-Bildes B wird ein korrigiertes Schnittbild D (4) erzeugt.
-
Das Einfügen des Artefakte-Bildes B hat im Wesentlichen den Vorteil, dass das Intensitätsniveau des rekonstruierten Bildes erhalten bleibt.
-
Besonders bevorzugt ist es, in einem weiteren optionalen Verfahrensschritt das korrigierte Schnittbild D mit Hilfe der Radon-Transformation in eine korrigierte Projektion D' (4) zu überführen. Die so erzeugte, korrigierte Projektion D' wird mit der Schnittbild-Projektion A' (1) verknüpft, um eine zweifach korrigierte Projektion E' (5) zu erzeugen. Die Verknüpfung der Bild-Projektionen D' und A' erfolgt beispielsweise durch einen geeigneten Algorithmus.
-
Hierbei entspricht A' dem Sinogramm der Originaldaten, D' dem Sinogramm des Bildes, nach dem die Artefakte-Projektion wieder eingefügt wurde, und B' wird als Information über die Metalldetektion verwendet. Bei der Funktion f kann es sich um eine beliebige Interpretationsfunktion handeln, wobei folgende Funktion erfindungsgemäß bevorzugt ist:
wobei
- x
- ein Element des Sinogramms ist,
- δ
- eine Überlappung der Grenze zwischen Original-Sinogramm und Metall-Sinogramm ist und,
- G
- eine Interpolationsfunktion, beispielsweise nach Gaussian Kernel ist.
-
Aus der Interpolationsfunktion f(x) ergeben sich die in 7 dargestellten Diagramme.
-
Das resultierende Sinogramm bzw. die zweifach korrigierte Projektion E' ist eine Interpolation zwischen dem ursprünglichen und dem korrigierten Sinogramm. Daher enthält die Projektion E' alle relevanten Informationen, wobei der negative Effekt der Metallfüllungen oder dgl. behoben ist. Hierbei würden ohne Interpolation Grenzen zwischen dem ursprünglichen und dem korrigierten Sinogramm nicht miteinander korrespondieren. Dies kann zur Erzeugung neuer Artefakte während der gefilterten Rückprojektion führen.
-
Die zweifach korrigierte Projektion E' wird sodann durch eine gefilterte Rückprojektion in das zweifach korrigierte Schnittbild E überführt.
