DE10038883A1

DE10038883A1 - Verfahren und Gerät zur Kegel-gekippten parallelen Abtastung und Rekonstruktion

Info

Publication number: DE10038883A1
Application number: DE10038883A
Authority: DE
Inventors: Jiang Hsieh
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 2000-08-09
Publication date: 2001-04-19
Also published as: JP4642193B2; JP2001120540A; US6263040B1

Abstract

Gemäß einer Ausgestaltung stellt die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Bildes unter Verwendung einer digitalen Flachfelderfassungseinrichtung (100) bereit, wobei eine vordefinierte Verzögerungstriggerfolge zur Erfassung einer Gruppe paralleler und gekippter paralleler Abtastungen verwendet wird. Das Bild wird dann unter Verwendung eines gekippten parallelen Strahlrekonstruktionsalgorithmus erzeugt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Computertomographieabbildung und insbesondere die Erzeugung volumetrischer Bilder unter Verwendung von von einem digitalen Röntgenfeld erfassten Daten.

Bei zumindest einem bekannten Computertomographie-(CT- )Abbildungssystemaufbau projiziert einen Röntgenquelle einen fächerförmigen Strahl, der parallel gerichtet ist, dass er in einer X-Y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems liegt, die allgemein als Abbildungsebene bezeichnet wird. Der Röntgenstrahl fällt durch das abgebildeten Objekt, wie einen Patienten. Nachdem der Strahl durch das Objekt gedämpft wurde, trifft er auf ein Array von Strahlungserfassungseinrichtungen. Die Intensität der an dem Erfassungsarray empfangenen gedämpften Strahlung hängt von der Dämpfung des Röntgenstrahls durch das Objekt ab. Jedes Erfassungselement des Arrays erzeugt ein separates elektrisches Signal, das ein Maß der Strahldämpfung am Erfassungsort ist. Die Dämpfungsmaße von allen Erfassungseinrichtungen werden separat zur Erzeugung eines Übertragungsprofils erfasst.

Bei bekannten CT-Systemen der dritten Generation drehen sich die Röntgenquelle und das Erfassungsarray mit einem Fasslager in der Abbildungsebene und um das abgebildete Objekt, so dass sich der Winkel, an dem der Röntgenstrahl das Objekt schneidet, konstant ändert. Eine Gruppe von Röntgendämpfungsmaßen, d. h. Projektionsdaten, von dem Erfassungsarray bei einem Fasslagerwinkel wird als Ansicht bezeichnet. Eine Abtastung des Objekts umfasst eine Gruppe von Ansichten bei verschiedenen Fasslagerwinkeln oder Ansichtwinkeln während einer Umdrehung der Röntgenquelle und der Erfassungseinrichtung. Bei einer axialen Abtastung werden die Projektionsdaten zur Ausbildung eines Bildes verarbeitet, das einem zweidimensionalen Schnitt durch das Objekt entspricht. Ein Verfahren zur Rekonstruktion eines Bildes aus einer Gruppe von Projektionsdaten wird in der Technik als gefiltertes Rückprojektionsverfahren bezeichnet. Bei diesem Vorgang werden die Dämpfungsmaße von einer Abtastung in ganze Zahlen, sog. "CT-Zahlen" oder "Hounsfield-Einheiten" umgewandelt, die zur Steuerung der Helligkeit eines entsprechenden Bildelements auf einer Katodenstrahlröhrenanzeige verwendet werden.

Digitale Röntgenfelder zur Abtastung eines 40 cm × 40 cm Bereichs bei einer einzelnen Projektion sind bekannt. Bei diesen Feldern werden Erfassungseinrichtungssignale reihenweise durch Aktivierung eines Triggersignals abgetastet. Die Aktivierungssignale für die Reihe 1 bis N werden aufeinanderfolgende aktiviert, während alle Zellensignale für jede Reihe simultan gelesen werden. Eine typische Zellengröße beträgt 200 µm × 200 µm. Bei einem Feld, das eine 40 cm × 40 cm Region überdeckt, beträgt die resultierende Bildgröße grob 2000 × 2000 Bildelemente.

Ist das Feld gegenüber einer Röntgenquelle positioniert und rotieren sowohl die Quelle als auch das Feld um den Patienten zur Erfassung von Projektionsdaten bei verschiedenen Winkeln werden volumetrische CT-Daten erhalten. Da alle Röntgenstrahlen von der Röntgenquelle zu der Erfassungseinrichtung in drei Dimensionen divergieren, wird eine Gruppe von kegelförmigen Abtastungen für jede Projektion erhalten. Dieser Abtasteinrichtungstyp wird als Kegelstrahl-CT bezeichnet.

Kegelstrahlrekonstruktionsalgorithmen sind typischerweise aufgrund der Divergenz der Abtaststrahlen sowohl in der x-y- als auch der z-Richtung erforderlich. Ein bekannter Kegelstrahlrekonstruktionsalgorithmus ist bei Feldkamp et al., "Practical cone-beam algorithm", J. Opt. Soc. Am. A., Band 1, Nr. 6, Seiten 612-619 beschrieben. Dieser Algorithmus gewichtet die Projektionen gemäß einer vordefinierten Gewichtungsfunktion vorab. Die gewichtete Projektion wird dann zur Erzeugung der rekonstruierten Bilder gefiltert und rückprojiziert. Da der Rückprojektionsvorgang in einer Kegelstrahlgeometrie stattfindet, ist ein vergrößerungsabhängiger (und daher ortsabhängiger) Skalierungsfaktor erforderlich. Das Erfordernis des Skalierungsfaktors erhöht die Rechenkomplexität des Algorithmus erheblich, was den Rekonstruktionsprozess sehr verlangsamt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das vorstehend angeführte Problem zu lösen.

Gemäß einer Ausgestaltung liefert die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Bildes unter Verwendung einer digitalen Flachfelderfassungseinrichtung, wobei eine vordefinierte Verzögerungstriggerfolge zur Erfassung einer Gruppe paralleler und gekippter paralleler Abtastungen verwendet wird. Das Bild wird dann unter Verwendung eines gekippten parallelen Strahlrekonstruktionsalgorithmus erzeugt. Insbesondere wird ein Objekt f(x, y, z) wie folgt dargestellt:

wobei

P_β(t, Z) der Projektionsschnittpunkt (x, y, z) ist.

Das vorstehend beschriebene Verfahren macht keinen vergrößerungsabhängigen Skalierungsfaktor erforderlich, und der Algorithmus ist weitaus einfacher als die bekannten Algorithmen, die die Verwendung eines Skalierungsfaktors erfordern. Außerdem ist unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens der Rekonstruktionsvorgang weitaus schneller als die bekannten Algorithmen, die die Verwendung eines Skalierungsfaktors erforderlich machen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Verwendung der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine bildliche Darstellung eines CT-Abbildungssystems,

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild des in Fig. 1 dargestellten Systems,

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein beispielhaftes digitales Röntgenfeld,

Fig. 4 die Abtastgeometrie für einen Kegelstrahl,

Fig. 5 die Abtastgeometrie für einen gekippten parallelen Strahl und

Fig. 6 ein Abtastmuster für einen Kegelstrahl bezüglich eines gekippten parallelen Strahls.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Computertomographie-(CT- )Abbildungssystem 10 gezeigt, das ein Fasslager 12 enthält, das eine CT-Abtasteinrichtung der dritten Generation darstellt. Das Fasslager 12 weist eine Röntgenquelle 14 auf, die Röntgenstrahlen 16 in Richtung eines Erfassungsarrays 18 auf der entgegengesetzten Seite des Fasslagers 12 projiziert. Das Erfassungsarray 18 wird durch Erfassungselemente 20 gebildet, die zusammen die projizierten Röntgenstrahlen erfassen, die durch ein Objekt 22, beispielsweise einen medizinischen Patienten, hindurchfallen. Das Erfassungsarray 18 kann als Einfach-Schritt- oder Mehrfach-Schritt-Aufbau hergestellt sein. Jedes Erfassungselement 20 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahls und somit die Dämpfung des Strahls darstellt, wenn er durch den Patienten 22 hindurchfällt. Während einer Abtastung zur Erfassung von Röntgenprojektionsdaten drehen sich das Fasslager 12 und die daran angebrachten Komponenten um einen Drehmittelpunkt 24.

Die Drehung des Fasslagers 12 und der Betrieb der Röntgenquelle 14 werden durch eine Steuereinrichtung 26 des CT-Systems 10 gesteuert. Die Steuereinrichtung 26 enthält eine Röntgensteuereinrichtung 28, die die Röntgenquelle 14 mit Energie und Zeitsignalen versorgt, und eine Fasslagermotorsteuereinrichtung 30, die die Rotationsgeschwindigkeit und Position des Fasslagers 12 steuert. Ein Datenerfassungssystem (DAS) 32 in der Steuereinrichtung 26 tastet analoge Daten von den Erfassungselementen 20 ab und wandelt die Daten in digitale Signale zur nachfolgenden Verarbeitung um. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 34 empfängt abgetastete und digitalisierte Röntgendaten vom DAS 32 und führt eine Bildrekonstruktion mit hoher Geschwindigkeit durch. Das rekonstruierte Bild wird einem Computer 36 als Eingangssignal zugeführt, der das Bild in einer Massenspeichereinrichtung 38 speichert.

Der Computer 36 empfängt auch Befehle und Abtastparameter von einem Bediener über eine Konsole 40, die eine Tastatur aufweist. Eine zugehörige Kathodenstrahlröhrenanzeigeeinrichtung 42 ermöglicht dem Bediener die Beobachtung des rekonstruierten Bildes und anderer Daten vom Computer 36. Die vom Bediener zugeführten Befehle und Parameter werden vom Computer 36 zur Ausbildung von Steuersignalen und Informationen für das DAS 32, die Röntgensteuereinrichtung 28 und die Fasslagermotorsteuereinrichtung 30 verwendet. Außerdem handhabt der Computer 36 eine Tischmotorsteuereinrichtung 44, die einen motorisierten Tisch 46 zur Positionierung des Patienten 22 im Fasslager 12 steuert. Insbesondere bewegt der Tisch 46 Abschnitte des Patienten 22 durch eine Fasslageröffnung 48.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein digitales Röntgenfeld 100. Das Feld 100 enthält eine Vielzahl von Erfassungszellen 102, die in Reihen 104 angeordnet sind.

Erfassungseinrichtungssignale bzw. Erfassungssignale werden reihenweise durch die Aktivierung eines Triggersignals abgetastet. Die Aktivierungssignale für die Reihen 1 bis N werden aufeinander folgend aktiviert, während alle Zellensignale für jede Reihe simultan ausgelesen werden.

Gemäß Fig. 4 ist die Rotationsachse die z-Achse, und eine Rotationskoordinate t ist immer parallel zur horizontalen Erfassungsfeldachse. Bezüglich der Erfassungseinrichtung 100 sind die Feldaktivierungsleitungen (Reihen) senkrecht zur z- Achse (parallel zur t-Achse), und die Feldausleseleitungen sind parallel zur z-Achse. Bei diesem Aufbau werden die Signale aus jeder Reihe simultan ausgelesen.

Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird gemäß Fig. 5 anstelle der Abtastung aller Kanäle oder Erfassungseinrichtungszellen 102 in jeder Erfassungseinrichtungsreihe 104 gleichzeitig, das Erfassungsfeld 100 um 90° gedreht, so dass alle Signale mit einem konstanten t-Wert (über z) simultan ausgelesen werden. Die Folge des Signalauslesens über t wird auf ähnliche Weise wie in dem fächerparallelen Abtastaufbau gesteuert.

Insbesondere wird eine vordefinierte Verzögerungstriggerfolge zur Aktivierung der Signalaktivierungsleitung auf dem Feld 100 verwendet. Die Verzögerungsfolge liefert eine Gruppe paralleler und gekippter paralleler Abtastungen. Fig. 6 zeigt ein Abtastmuster, das bei einer Betrachtung von oben nach unten parallel zur z-Achse erhalten wird. Durch geeignete Verzögerung der Abtasttrigger wird eine Gruppe gekippter paralleler Geometrie erhalten.

Sind die Projektionen in einer Gruppe gekippter paralleler Strahlgeometrie erfasst, kann die abgetastete Objektdichte durch einen neuen gekippten parallelen Strahlrekonstruktionsalgorithmus rekonstruiert werden. Die Herleitung der gekippten parallelen Strahlrekonstruktionsformel kann auf ähnliche Weise wie die bei dem Feldkamp- Kegelstrahlrekonstruktionsalgorithmus verwendete Herleitung ausgeführt werden. Die resultierende Gleichung zur Rekonstruktion eines Objekts f(x, y, z) ist:

wobei

P_β(t, Z) der Projektionsschnittpunkt (x, y, z) ist.

Anders als bei der parallelen Strahlrekonstruktion gehen die Integrationsgrenzen von 0 bis 2π, primär aufgrund der Tatsache, dass die π entfernten Projektionen nicht länger komplementäre Strahlen für den gekippten parallelen Fall sind. Allerdings können ähnliche Gewichtungsfunktionen für die partiell abgetasteten Abtastungen hergeleitet werden, so dass die Datenerfassung bei einem π+ Fächerwinkel abgeschlossen sein kann.

Das hier beschriebene CT-System ist ein System der dritten Generation, bei dem sich sowohl die Röntgenquelle als auch die Erfassungseinrichtung mit dem Fasslager drehen. Es können auch viele CT-System einschließlich der Systeme der vierten Generation verwendet werden, bei denen die Erfassungseinrichtung eine stationäre Vollringerfassungseinrichtung ist und sich lediglich die Röntgenquelle mit dem Fasslager dreht, wenn die einzelnen Erfassungselemente derart korrigiert sind, dass sie im wesentlichen gleichförmige Antworten auf einen gegebenen Röntgenstrahl liefern. Des weiteren führt das hier beschriebene System eine axiale Abtastung durch. Allerdings kann die Erfindung auch bei einer Wendelabtastung Anwendung finden, obwohl mehr als 360° Daten erforderlich sind.

Gemäß einer Ausgestaltung stellt die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Bildes unter Verwendung einer digitalen Flachfelderfassungseinrichtung (100) bereit, wobei eine vordefinierte Verzögerungstriggerfolge zur Erfassung einer Gruppe paralleler und gekippter paralleler Abtastungen verwendet wird. Das Bild wird dann unter Verwendung eines gekippten parallelen Strahlrekonstruktionsalgorithmus erzeugt.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines Bildes unter Verwendung einer digitalen Flachfelderfassungseinrichtung (100), die eine Vielzahl von Erfassungszellen (102) und eine Signalaktivierungsleitung für jede Zellenreihe (104) zur Aktivierung jeder Zelle in jeder entsprechenden Reihe aufweist, mit den Schritten
Erhalten von Daten von der Erfassungseinrichtung unter Verwendung einer vordefinierten Verzögerungstriggerfolge und
Verwenden der erhaltenen Daten zur Erzeugung eines Bildes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verzögerungstriggerfolge eine Gruppe paralleler und gekippter paralleler Abtastungen ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bild unter Verwendung eines gekippten parallelen Strahlrekonstruktionsalgorithmus erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Objekt f(x, y, z) gegeben ist durch:
wobei
P_β(t, Z) der Projektionsschnittpunkt (x, y, z) ist.

5. Verarbeitungseinrichtung zur Rekonstruktion eines Bildes unter Verwendung von Daten, die von einer digitalen Flachfelderfassungseinrichtung (100) erfasst werden, die eine Vielzahl von Erfassungszellen (102) und eine Signalaktivierungsleitung für jede Zellenreihe (104) zur Aktivierung jeder Zelle in jeder entsprechenden Reihe aufweist, mit
einer Einrichtung zum Erhalten von Daten von der Erfassungseinrichtung unter Verwendung einer vordefinierten Verzögerungstriggerfolge und
einer Einrichtung zur Erzeugung eines Bildes unter Verwendung der erhaltenen Daten.

6. Verarbeitungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Verzögerungstriggerfolge eine Gruppe paralleler und gekippter paralleler Abtastungen ergibt.

7. Verarbeitungseinrichtung nach Anspruch 5, ferner mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Bildes unter Verwendung eines gekippten parallelen Strahlrekonstruktionsalgorithmus.

8. Verarbeitungseinrichtung nach Anspruch 7, wobei ein Objekt f(x, y, z) gegeben ist durch:
wobei
P_β(t, Z) der Projektionsschnittpunkt (x, y, z) ist.

9. Computertomographiegerät (10) mit
einer digitalen Flachfelderfassungseinrichtung (100), die eine Vielzahl von Erfassungszellen (102) und eine Signalaktivierungsleitung für jede Zellenreihe (104) zur Aktivierung jeder Zelle in jeder entsprechenden Reihe aufweist und
einer Verarbeitungseinrichtung zur Rekonstruktion eines Bildes unter Verwendung von Daten, die von der digitalen Flachfelderfassungseinrichtung erfasst werden, wobei die Verarbeitungseinrichtung
eine Einrichtung zum Erhalten von Daten von der Erfassungseinrichtung unter Verwendung einer vordefinierten Verzögerungstriggerfolge und
eine Einrichtung zur Erzeugung eines Bildes unter Verwendung der erhaltenen Daten umfasst.

10. Computertomographiegerät (10) nach Anspruch 9, wobei die Verzögerungstriggerfolge eine Gruppe paralleler und gekippter paralleler Abtastungen ergibt.

11. Computertomographiegerät nach Anspruch 9, wobei die Verarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines Bildes unter Verwendung eines gekippten parallelen Strahlrekonstruktionsalgorithmus umfasst.

12. Computertomographiegerät nach Anspruch 11, wobei ein Objekt f(x, y, z) gegeben ist durch:
wobei
P_β(t, Z) der Projektionsschnittpunkt (x, y, z) ist.