DE10038883A1 - Verfahren und Gerät zur Kegel-gekippten parallelen Abtastung und Rekonstruktion - Google Patents
Verfahren und Gerät zur Kegel-gekippten parallelen Abtastung und RekonstruktionInfo
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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
Pβ(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
Pβ(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 (12)
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.
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
Pβ(t, Z) der Projektionsschnittpunkt (x, y, z) ist.
wobei
Pβ(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.
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
Pβ(t, Z) der Projektionsschnittpunkt (x, y, z) ist.
wobei
Pβ(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.
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
Pβ(t, Z) der Projektionsschnittpunkt (x, y, z) ist.
wobei
Pβ(t, Z) der Projektionsschnittpunkt (x, y, z) ist.
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