DE10107162A1 - Primär-Abklingkorrektur hoher Ordnung für CT-Abbildungssystem-Erfassungseinrichtungen - Google Patents

Primär-Abklingkorrektur hoher Ordnung für CT-Abbildungssystem-Erfassungseinrichtungen

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DE10107162A1
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Abstract

Die Verschlechterung bei rekonstruierten medizinischen Bildern wird durch ein Verfahren zur Kalibrierung einer Primärabklingkorrektur für eine Strahlungserfassungseinrichtung mit einer Abklingkurve verringert, die durch eine Vielzahl von Komponenten mit unterschiedlichen Zeitkonstanten charakterisiert werden kann. Das Verfahren beinhaltet die Schritte der Anpassung der Abklingkurve an eine Summe einer Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen mit einem ersten Satz von Zeitkonstanten, der Anwendung einer Korrektur bei einer gemessenen Antwort der Erfassungseinrichtung unter Verwendung einer Summe der Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen mit dem ersten Satz der Zeitkonstanten zum Erhalten einer korrigierten Antwort, der Auswahl zumindest einer zusätzlichen exponentiellen Zeitkonstante, die von der korrigierten Antwort abhängt, und der Anpassung der Abklingkurve an eine Summe einer zweiten Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen, die die erste Vielzahl der Zeitkonstanten und die zumindest eine zusätzliche exponentielle Zeitkonstante umfasst.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Anmeldung betrifft Verfahren zur Korrektur des primären Abklingens hoher Ordnung bei Erfassungseinrichtungen, und insbesondere Verfahren, die eine erhöhte Flexibilität bei der Definition von Formen korrigierter Abklingkurven bei Erfassungseinrichtungen liefern.
Der hier verwendete Ausdruck "primäres Abklingen" bezieht sich auf die schnellste exponentielle Abklingkomponente eines Szintillators. "Nachglühen" bezieht sich auf die verbleibenden, langsamer abklingenden Komponenten.
Bei zumindest einem bekannten Computertomographie-(CT-)Ab­ bildungssystemaufbau projiziert eine Röntgenquelle einen fächerförmigen Strahl, der kollimiert ist, dass er in einer X-Y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems liegt, die allgemein als "Abbildungsebene" bezeichnet wird. Der Strahl fällt durch das abgebildete Objekt, wie beispielsweise einen Patienten. Nachdem der Strahl durch das Objekt gedämpft wurde, trifft er auf ein Array von Strahlungserfassungseinrichtungen. Die Intensität der am 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 bzw. Dämpfungsmessungen von allen Erfassungseinrichtungen werden separat zur Ausbildung 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, sodass sich der Winkel, an dem der Röntgenstrahl das Objekt schneidet, konstant ändert. Ein Gruppe von Röntgendämpfungsmaßen, d. h. Projektionsdaten, von dem Erfassungsarray bei einem Fasslagerwinkel wird als "Ansicht" bezeichnet. Ein "Abtastung" des Objekts umfasst einen Satz von Ansichten bei unterschiedlichen 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 einem Satz von Projektionsdaten wird im Stand der Technik als gefiltertes Rückprojektionsverfahren bezeichnet. Bei diesem Verfahren werden die Dämpfungsmaße von einer Abtastung in ganze Zahlen, so genannte "CT-Zahlen" oder "Hounsfield- Einheiten" umgewandelt, die zur Steuerung der Helligkeit eines entsprechenden Bildelements auf einer Kathodenstrahlröhrenanzeigeeinrichtung verwendet werden.
Die Verwendung von Europium enthaltenden polykristallinen Keramikszintillatoren in Erfassungsarrays von Computertomographie-(CT-)Abbildungssystemen ist bekannt. Derartige Szintillatoren zeigen weitaus geringere Hysteresen und Strahlungsschädigungen als andere bekannte Festkörpererfassungseinrichtungen wie CdWO4. Außerdem ist das Erfassungsmaterial stark transparent, woraus sich eine höhere Lichtausgabe ergibt. Eine Erfassungsmengeneffizienz (DQE) von 98% oder mehr bei 3 mm Tiefe wird bei einem klinischen Röntgenenergiebereich erhalten, woraus sich eine verbesserte Bildqualität ergibt. Nichtsdestoweniger ist das Ausgangssignalabklingen, wie es durch sein Primärabklingen angezeigt ist, relativ langsam (nahe einer 1 Millisekunde), was von der Verwendung dieser andererseits vorteilhaften Szintillatoren bei hohen Abtastwertraten und hohen Abtastgeschwindigkeiten abrät. Eine Beispielabklingkurve ist in Fig. 3 gezeigt.
Es wurde gezeigt, dass eine niedrige Primärgeschwindigkeit der Erfassungseinrichtung die Ortsauflösung eines CT- Abbildungssystems verschlechtert, insbesondere bei höheren Abtastgeschwindigkeiten. Beispielsweise ist eine Abtastung bei 0,5 Sekunden pro Drehung bezüglich einer Abtastung bei 1,0 Sekunden pro Drehung verschlechtert, was sich aus der merklich erhöhten Abtastwertrate ergibt. Zur Überwindung dieses Nachteils wurden rekursive Korrekturalgorithmen vorgeschlagen.
Korrekturen unter Verwendung rekursiver Korrekturalgorithmen kompensieren nicht nur die Auswirkungen der Primärgeschwindigkeitskomponente der Erfassungseinrichtungsantwort, sondern auch die Nachglühkomponenten. Bekannte Verfahren liefern zufriedenstellende Ergebnisse für Abtastgeschwindigkeiten bis zu 1,0 Sekunden, wobei Szintillationsmaterial mit einer Abklingkennlinie wie der in Fig. 3 dargestellten verwendet wird. Bei höheren Abtastgeschwindigkeiten tritt allerdings ein Unterschreiten und Überschreiten der Abklingkurve auf, woraus sich Streifenartefakte in rekonstruierten Bildern ergeben. Dieses Unterschreitungs- und Überschreitungsphänomen ist kein spezifisches Merkmal des Abklingens dieses Szintillationsmaterials, sondern ist vielmehr ein Nebeneffekt des Signalwiedergewinnungsverfahrens.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verringerung oder Vermeidung des Unterschreitens und Überschreitens der Abklingkurve und der resultierenden Artefakte in den rekonstruierten Bildern auszugestalten.
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zur Kalibrierung einer Primärabklingkorrektur für eine Strahlungserfassungseinrichtung mit einer Abklingkurve ausgestaltet, die durch eine Vielzahl von Komponenten mit unterschiedlichen Zeitkonstanten charakterisiert werden kann. Das Verfahren beinhaltet die Schritte der Abklingkurvenanpassung an eine Summe einer Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen mit einem ersten Satz von Zeitkonstanten, der Anwendung einer Korrektur bei einer gemessenen Antwort der Erfassungseinrichtung unter Verwendung einer Summe der Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen mit dem ersten Satz der Zeitkonstanten zum Erhalten einer korrigierten Antwort, der Auswahl zumindest einer zusätzlichen exponentiellen Zeitkonstante, die von der korrigierten Antwort abhängt, und der Anpassung der Abklingkurve an eine Summe einer zweiten Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen, die die erste Vielzahl der Zeitkonstanten und die zumindest eine zusätzliche exponentielle Zeitkonstante enthalten.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Unterschreiten und Überschreiten der Abklingkurve und der resultierenden Artefakte in rekonstruierten Bildern verringert bzw. vermieden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Fig. 1 zeigt eine bildliche Darstellung eines CT- Abbildungssystems,
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des in Fig. 1 dargestellten Systems,
Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung der Intensität gegenüber der Zeit, wie sie für eine Beispielerfassungseinrichtung gemessen wird,
Fig. 4 zeigt eine grafische Darstellung der Intensität gegenüber der Zeit für eine Beispielerfassungseinrichtung, wobei die ursprüngliche Antwort ohne Korrektur, eine Korrektur erster Ordnung mit einer Unterschreitung und Überschreitung und eine Korrektur hoher Ordnung gezeigt sind, die die Unterschreitung und Überschreitung korrigiert,
Fig. 5 zeigt eine grafische Darstellung der Modulationsübertragungsfunktion (MTF) als Funktion der Frequenz in Linienpaaren pro cm (LP/cm) für zwei Abtastungen eines 0,1 mm dünnen Wolframdrahtes, der bei einer Abtastgeschwindigkeit von 1,0 Sekunden (durchgezogene Linie) und 0,5 Sekunden (gestrichelte Linie) unter Verwendung eines Beispiel-CT-Abbildungssystems mit einer Erfassungseinrichtung mit der in Fig. 3 gezeigten Kennlinie abgetastet wird.
Fig. 6 zeigt eine grafische Darstellung der Standardabweichung als Funktion der Entfernung von einem Isozentrum für zwei Abtastungen eines 0,1 mm dünnen Wolframdrahtes, der mit einer Abtastgeschwindigkeit von 1,0 5 Sekunden (durchgezogene Linie) und 0,5 Sekunden (gestrichelte Linie) unter Verwendung eines Beispiel-CT- Abbildungssystems mit einer Erfassungseinrichtung mit der in Fig. 3 dargestellten Kennlinie abgetastet wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In den Fig. 1 und 2 ist ein Computertomographie-(CT-)Ab­ bildungssystem 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 ist aus Erfassungselementen 20 gebildet, die zusammen die projizierten Röntgenstrahlen erfassen, die durch ein Objekt 22, beispielsweise einen medizinischen Patienten, hindurchfallen. Das Erfassungsarray 18 kann in einem Einfachschnitt- oder Mehrfachschnittaufbau hergestellt sein. Jedes Erfassungselement 20 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität eines auftreffenden Röntgenstrahls und somit die Dämpfung des Stahls darstellt, wenn er durch den Patienten 22 fällt. 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 von einer 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 Drehgeschwindigkeit 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 Kathodenstrahlröhreanzeigeeinrichtung 42 ermöglicht dem Bediener die Überwachung 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 bedient 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.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Erfassungsarray 18 Erfassungselemente 20 mit einer empirisch bestimmten Abklingkennlinie, wie der in Fig. 3 gezeigten Beispielabklingkurve. Zum Erhalten einer Primärgeschwindigkeitskorrektur wird die Primärgeschwindigkeit durch mehrere Exponentialgrößen modelliert, und Abklingparameter werden beruhend auf einer korrigierten Anpassung der Abklingkurve mit dem minimalen kleinsten quadratischen Fehler (MLSE) an einen Satz von Exponentialfunktionen bestimmt.
Die Primärgeschwindigkeit wird durch mehrere Exponentialgrößen modelliert. Die Abklingparameter werden durch eine MLSE- (minimaler kleinster quadratischer Fehler) Anpassung einer beobachteten Abklingkurve an einen Satz von Exponentialfunktionen bestimmt. Eine Erfassungseinrichtungsimpulsantwort wird durch folgende Gleichung modelliert:
wobei n eine von N Komponenten der Exponentialantwort mit einer relativen Amplitude bzw. Stärke αn einer Abklingkomponente mit einer Zeitkonstanten τn darstellt. Die Antwort eines Erfassungselementtyps 20 wurde genau durch vier (N = 4) derartige Zeitkonstantenkomponenten charakterisiert. Verschiedene Erfassungselementtypen können eine größere oder kleinere Anzahl von Abklingkomponenten für Modellierungszwecke erfordern. Die Ausdrücke "Erfassungselementantwort" und "Erfassungseinrichtungsantwort" werden austauschbar verwendet. Allerdings müssen die Erfassungselemente 20 nicht im Wesentlichen identische Antworten aufweisen. Daher wird bei zumindest einem Ausführungsbeispiel jede Erfassungselementantwort individuell bestimmt und korrigiert. Allerdings sind bei zumindest einem Ausführungsbeispiel die Erfassungselemente 20 der Erfassungseinrichtung 18 alle vom gleichen Typ und haben im Wesentlichen identische Antworten.
Eine Erfassungseinrichtungsantwort y(t) auf ein Eingangssignal x(t) wird als Faltung y(t) = h(t).x(t) der Erfassungseinrichtungsimpulsantwort h(t) und des Eingangssignals x(t) geschrieben:
Die Gleichung 2 kann vereinfacht werden, da das Eingangssignal x(t) eine kausale Funktion ist, wodurch die Summation und Integration in Gleichung 2 vertauscht werden können. Des Weiteren kann der Integrationsbereich [0,t] in k Intervalle unterteilt werden, die der Periode zwischen den Ansichten entsprechen, wobei jedes Intervall durch Δt(kΔt = t) bezeichnet wird. Werden diese Faktoren berücksichtigt, kann ein tatsächlicher Dämpfungswert xk für die k-te Ansicht für relativ kleine Werte von Δt wie folgt geschrieben werden:
wobei y(kΔt) ein roher Dämpfungswert von einem Erfassungselement 20 ist, der während der k-ten Ansicht erfasst wird. Die Gleichung 3 kann wie folgt umgeschrieben werden:
wobei βn = αn (1-e- Δ t/ τn ) ist. Werden die durch die äußersten Klammern in Gleichung 4 umschlossenen Inhalte als Snk bezeichnet, kann eine rekursive Beziehung wie folgt definiert werden:
wobei der Nenner und der in Klammern geschriebene Abschnitt des Zählers Konstanten sind. Der Term Snk für den vorliegenden Dämpfungswert ist eine Funktion des Terms Sn(k-1) für den Dämpfungswert der vorhergehenden Ansicht, wobei die Funktion als
geschrieben wird, wobei xk-1 der tatsächliche Dämpfungswert ist, der aus der Erfassungselementsignalabtastung von der vorhergehenden Ansicht erhalten wird. Der Wert von Snk für die erste Abtastung ist Null. Bei manchen CT-Systemen 10 wird ein Röntgensignal kurz vor dem Beginn der Datenerfassung angeschaltet. In diesem Fall wird Snk für die erste Ansicht durch die Anwendung der vorstehend angeführten rekursiven Beziehung für die erste Ansicht m-mal zur Simulation der kurzen Röntgeneinschaltbedingung geschätzt, wobei mΔt ≈ die Röntgeneinschaltzeit vor der Ansicht 1 ist. Somit müssen zur Herleitung eines tatsächlichen Dämpfungswerts aus einer gegebenen Erfassungselementsignalabtastung diese Abtastung und Daten von der Verarbeitung einer unmittelbar vorhergehenden Abtastung bekannt sein. Infolgedessen ist Gleichung 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel durch einen Arrayprozessor als rekursives Filter implementiert.
Für die Anwendung der Filterfunktion aus Gleichung 5 bei realen Bilddaten muss eine Antwort für jedes Erfassungselement 20 in der Erfassungseinrichtung 18 durch die Herleitung von Werten für αn und τn für die Zeitkonstantenkomponenten jedes Erfassungselements 20 charakterisiert werden. Diese Herleitung wird in einer Fabrik durch einen Prozess bewerkstelligt, der den Betrieb des CT-Systems 10 ohne ein Objekt zur Abbildung enthält. Die Röntgenquelle 14 des CT-Abbildungssystems 10 wird zur Zeit t0 eingeschaltet. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Röntgenquelle 14 einen Zeitabschnitt lang eingeschaltet, der zur Sättigung aller Abklingkomponenten der Erfassungseinrichtung ausreicht, beispielsweise ungefähr die Hälfte der normalen Abtastzeit. Die Röntgenquelle 14 wird dann zu einem späteren Zeitpunkt t1 ausgeschaltet.
Ein Ausgangssignal von jedem Erfassungselement 20 wird individuell abgetastet, während der Röntgenstrahl 16 aktiv ist, und für eine ausreichend lange Periode nach dem Abschalten des Röntgenstrahls 16 abgetastet, um einen gewünschten Genauigkeitsgrad bei der Charakterisierung zu erreichen. Abtastwerte der Erfassungselementsignale werden in einem Array gespeichert, das dem zur Speicherung der Dämpfungswerte während der Abbildung ähnlich ist. Die Erfassungselementantwort während des Charakterisierungsvorgangs ist durch die folgenden Ausdrücke definiert:
Abtastwerte des Erfassungselementsausgangssignals, die erfasst wurden, während der Röntgenstrahl 16 eingeschaltet ist (t0 < t1 - δt < t < t1), wobei δt derart bestimmt ist, dass die Standardabweichung des gemittelten Signals ausreichend gering ist, um einen gewünschten Genauigkeitsgrad bei der Charakterisierung zu erreichen, werden gemittelt, und das Ergebnis wird zum Herleiten eines Werts für die Röntgenflussintensität ψ wie in Gleichung 6 verwendet. Die nach dem Abschalten des Röntgenstrahls 16 erhaltenen Abtastwerte werden durch den Wert von ψ zur Normalisierung der Daten geteilt, woraus sich eine Abklingkurve ergibt, die der in Fig. 3 gezeigten ähnlich ist. Dann wird der Logarithmus der normalisierten Daten genommen.
Als Nächstes werden Werte für αn und τn jeder Zeitkonstantenkomponente der exponentiellen Antwort bestimmt. Die Impulsantwort für einen CT- Erfassungselementtyp wird durch vier Zeitkonstanten τn zu 1, 6, 40 und ungefähr 300 Millisekunden bestimmt, obwohl die exakten Zeitkonstanten für andere Erfassungseinrichtungen variieren können. Die Zeitkonstanten τn und ihre relativen Stärken αn werden beispielsweise durch die Durchführung einer Anpassung mit minimalem kleinsten quadratischen Fehler (MLSE) der Gleichung 1 bestimmt. Zur Verringerung des Fehlers aufgrund von Rauschen werden mehrere Messungen vor der Anpassung gemittelt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden αn und τn einzeln in absteigender Reihenfolge von τn bestimmt, d. h. das längste τn zuerst. Ein Erfassungseinrichtungsabtastwertsignal wird ausgewählt, das zur Zeit T (beispielsweise 300 Millisekunden), nachdem der Röntgenstahl ausgeschaltet wurde, erfasst wurde, zu welcher Zeit die Auswirkungen aller außer der längsten Zeitkonstantenkomponente vernachlässigbar sind. Unter Verwendung der logarithmischen Werte der Erfassungseinrichtungsabtastwerte vereinfacht sich die Gleichung 6 zu log[y(T)] = logαn - (T/τn). Die vereinfachte Gleichung wird nach α4 der vierten (n = 4) Zeitkonstantenkomponente aufgelöst.
Beruhend auf den geschätzten Werten für α4 und τ4 kann der Beitrag der längsten Zeitkonstantenkomponente zu den gemessenen abklingenden Signaldaten berechnet und von diesen Daten entfernt werden. Der Vorgang wird für die nächstlängste Zeitkonstantenkomponente τ3 der Erfassungseinrichtungsantwort wiederholt, usw. für jede der verbleibenden Komponenten. Dieser Charakterisierungsvorgang wird für jedes Erfassungselement 20 in der Erfassungseinrichtung 18 durchgeführt.
Dann werden die Werte von αn und τn zum Herleiten der konstanten Terme der Gleichung 5 für jede der vier Zeitkonstantenkomponenten der Antwort jedes Erfassungselements angewendet. Diese Konstanten werden in Tabellen im Plattenspeicher für die spätere Verwendung bei der Filterung realer Bilddaten gespeichert. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel werden die Konstanten kurz vor ihrer Verwendung berechnet.
Nachdem eine erste MLSE-Anpassung erhalten ist, kompensiert die Korrektur der Gleichung 5 beruhend auf der modellierten Erfassungseinrichtungsimpulsantwort die gemessene Abklingkurve aus Fig. 3 nicht genau. Insbesondere werden eine oder mehrere Überschreitungs- und Unterschreitungsanomalien in der modellierten Erfassungseinrichtungsantwort beobachtet. Fig. 4 zeigt die ursprüngliche Antwortkurve einer Erfassungseinrichtung, eine entsprechende korrigierte Antwortkurve erster Ordnung und eine entsprechende korrigierte Antwortkurve hoher Ordnung. Die Antwortkurve erster Ordnung entspricht der Korrektur, nachdem eine erste MLSE-Anpassung erhalten wurde und die Korrektur der Gleichung 5 angewendet wurde. Gemäß Fig. 4 werden zur Bereitstellung einer zusätzlichen Korrektur der Überschreitungs- und/oder Unterschreitungsanomalien in der korrigierten Antwortkurve erster Ordnung eine oder mehrere zusätzliche "künstliche" Zeitkonstanten τ hinzugefügt, die kleiner als die kürzeste Zeitkonstante des ursprünglichen Satzes der Zeitkonstanten sind. Diese zusätzlichen Zeitkonstanten entsprechen Überschreitungs- und Unterschreitungsorten in der korrigierten Erfassungseinrichtungsantwort. Beispielsweise wird in Fig. 4 eine zusätzliche Zeitkonstante τ, die kleiner oder gleich der Zeitdifferenz zwischen den Punkten A und B der korrigierten Antwortkurve erster Ordnung ist, in Anbetracht der Unterschreitung bei B ausgewählt. Die eine oder die mehreren zusätzlichen Zeitkonstantenkomponenten τ und die entsprechenden Stärken α bieten eine zusätzliche Flexibilität bei der Definition der Form einer korrigierten Abklingkurve. Nachdem die erste Korrektur erhalten wurde, wird eine zweite, bessere Korrektur unter Verwendung sowohl der ursprünglichen Zeitkonstanten als auch der neuen zusätzlichen Zeitkonstanten erhalten, die den Überschreitungen und Unterschreitungen entsprechen. Beispielsweise werden alle Werte αn ein zweites Mal unter Verwendung des neuen, erweiterten Satzes der Zeitkonstanten τn beginnend mit der längsten Zeitkonstante bestimmt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Bedingung sowohl für die erste als auch die zweite, bessere Anpassung, dass die α's sich zu eins summieren, so dass
Ist das zweite, bessere Anpassungsmodell ausgebildet, wird eine rekursive Primärgeschwindigkeitskorrektur unter Verwendung der Komponenten τ und α des zweiten Modells anstelle des ersten durchgeführt. Das bessere Anpassungsmodell entspricht der in Fig. 4 gezeigten korrigierten Antwort höherer Ordnung.
Es ist ersichtlich, dass die Anzahl der Zeitkonstanten N bei der zweiten Anpassung größer ist. Daher werden bei einem Ausführungsbeispiel die Indizes n der Zeitkonstanten τn der ersten Anpassung umnummeriert, sodass diese Zeitkonstanten zusammen mit den neuen künstlichen Zeitkonstanten die Konvention der Zeitkonstanten aufrechterhalten, die sich mit steigendem n erhöhen. Allerdings hängt die Erfindung nicht von der Verwendung dieser Notation ab, und ihre Verwendung dient lediglich der Bequemlichkeit.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das CT- Abbildungssystem 10 (beispielsweise in der Fabrik) zur Bestimmung der Zeitkonstanten und Intensitäten der verbesserten Korrektur betrieben. Die Anpassung und andere Schritte einschließlich der Berechnung werden unter Verwendung des Computers 36 durchgeführt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein (nicht gezeigter) separater Computer zur Anpassung und/oder anderer Schritte einschließlich der Berechnung verwendet.
Bei Untersuchungen mit Phantomen zum Testen der Effektivität der vorstehend angeführten Ausführungsbeispiele wurde ein 0,1 mm Wolframdraht sowohl bei einer Abtastgeschwindigkeit von 1,0 Sekunden als auch bei einer Abtastgeschwindigkeit von 0,5 Sekunden mit dem gleichen Gesamtphotonenfluss abgetastet. Sowohl die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) als auch das Rauschen wurden gemessen. Die Ergebnisse sind in den Fig. 5 und 6 gezeigt. In jeder Figur zeigen die dargestellten Ergebnisse, dass die schnellere Abtastgeschwindigkeit (0,5 Sekunden) mit Korrektur Ergebnisse liefert, die denen bei langsamerer Abtastgeschwindigkeit (1,0 Sekunden) äquivalent sind.
Aus der vorhergehenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäßen Verfahren zur Verhinderung einer Unterschreitung und Überschreitung einer modellierten Erfassungseinrichtungsabklingkurve nützlich sind. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren kompensierte, rekonstruierte Bilder weisen entsprechend verringerte Streifenartefakte auf.
Obwohl bestimmte Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben sind, ist ersichtlich, dass dies nur der Veranschaulichung dient und nicht als Einschränkung verstanden werden kann. Außerdem ist das hier beschriebene CT-System ein System der dritten Generation, bei dem sich sowohl die Röntgenquelle als auch die Erfassungseinrichtung mit dem Fasslager drehen. Viele andere CT-Systeme, einschließlich der Systeme der vierten Generation können verwendet werden, bei denen die Erfassungseinrichtung eine stationäre Vollringerfassungseinrichtung ist und sich lediglich die Röntgenquelle mit dem Fasslager dreht. Des Weiteren führt das hier beschriebene System eine axiale Abtastung durch. Die Erfindung kann aber auch bei Systemen mit einer Wendelabtastung angewendet werden. Demnach ist der Schutzbereich lediglich durch die beigefügten Patentansprüche und Äquivalente bestimmt.
Die Verschlechterung bei rekonstruierten medizinischen Bildern wird durch ein Verfahren zur Kalibrierung einer Primärabklingkorrektur für eine Strahlungserfassungseinrichtung mit einer Abklingkurve verringert, die durch eine Vielzahl von Komponenten mit unterschiedlichen Zeitkonstanten charakterisiert werden kann. Das Verfahren beinhaltet die Schritte der Anpassung der Abklingkurve an eine Summe einer Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen mit einem ersten Satz von Zeitkonstanten, der Anwendung einer Korrektur bei einer gemessenen Antwort der Erfassungseinrichtung unter Verwendung einer Summe der Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen mit dem ersten Satz der Zeitkonstanten zum Erhalten einer korrigierten Antwort, der Auswahl zumindest einer zusätzlichen exponentiellen Zeitkonstante, die von der korrigierten Antwort abhängt, und der Anpassung der Abklingkurve an eine Summe einer zweiten Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen, die die erste Vielzahl der Zeitkonstanten und die zumindest eine zusätzliche exponentielle Zeitkonstante umfasst.

Claims (19)

1. Verfahren zur Kalibrierung einer Primärabklingkorrektur für eine Strahlungserfassungseinrichtung mit einer Abklingkurve, die durch eine Vielzahl von Komponenten mit unterschiedlichen Zeitkonstanten charakterisiert werden kann, mit den Schritten:
Anpassen der Abklingkurve an eine Summe einer Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen mit einem ersten Satz von Zeitkonstanten,
Anwenden einer Korrektur bei einer gemessenen Antwort der Erfassungseinrichtung unter Verwendung einer Summe der Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen mit dem ersten Satz von Zeitkonstanten zum Erhalten einer korrigierten Antwort, Auswählen zumindest einer zusätzlichen exponentiellen Zeitkonstante, die von der korrigierten Antwort abhängt, und
Anpassen der Abklingkurve an eine Summe einer zweiten Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen, die die erste Vielzahl der Zeitkonstanten und die zumindest eine zusätzliche exponentielle Zeitkonstante umfassen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine zusätzliche exponentielle Zeitkonstante von einem Satz von Zeiten abhängt, die Überschreitungen und Unterschreitungen der korrigierten Antwort entsprechen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Schritte der Anpassung der Abklingkurve an die Summe der ersten Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen mit dem ersten Satz von Zeitkonstanten und die Anpassung der Abklingkurve an die Summe der zweiten Vielzahl der gewichteten Exponentialgrößen jeweils eine Anpassung mit minimalem kleinsten quadratischen Fehler (MLSE) umfassen.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt der Auswahl zumindest einer zusätzlichen exponentiellen Zeitkonstante den Schritt der Auswahl zumindest einer zusätzlichen exponentiellen Zeitkonstante umfasst, die geringer als die kleinste Zeitkonstante des ersten Satzes ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit dem Schritt der Bestimmung einer Abklingkurve der Strahlungserfassungseinrichtung.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Bestimmung der Abklingkurve der Strahlungserfassungseinrichtung die Schritte umfasst:
Einschalten einer Röntgenquelle des CT-Systems zu einer Zeit t0 für einen Zeitabschnitt, der zur Sättigung der Abklingkomponenten der Strahlungserfassungseinrichtung lange genug ist; und
Ausschalten der Röntgenquelle zu einer späteren Zeit t1.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Bestimmung der Abklingkurve der Strahlungserfassungseinrichtung ferner den Schritt der Abtastung von Ausgangssignalen von jedem Erfassungselement der Erfassungseinrichtung, während die Röntgenquelle eingeschaltet ist, und während einer Periode, nachdem die Röntgenquelle ausgeschaltet wurde, umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Bestimmung der Abklingkurve der Strahlungserfassungseinrichtung ferner die Schritte der Mittelung von Abtastwerten des Erfassungseinrichtungsausgangssignals, das während des Eingeschaltetseins der Röntgenquelle erfasst wird (t0 < t1 - δt < t < t1), und die Herleitung eines Werts für eine Röntgenflussintensität t aus den gemittelten Abtastwerten der Erfassungseinrichtungsausgangssignale umfasst, wobei die Erfassungselementantwort y(t) während des Charakterisierungsvorgangs wie folgt definiert ist:
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt der Anpassung der Abklingkurve an die Summe der ersten Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen mit dem ersten Satz von Zeitkonstanten den Schritt der Anpassung von y(t) für t < t1 an eine Summe von N ausgewählten Exponentialgrößen mit Zeitkonstanten τn und Intensitäten αn umfasst.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt der Anpassung der Abklingkurve an die Summe der ersten Vielzahl der Exponentialgrößen die Bestimmung von Werten von αn in der Reihenfolge beginnend mit einem Wert α umfasst, der der größten Zeitkonstanten τ entspricht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt der Anpassung der Abklingkurve an die Summe der zweiten Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen, die die erste Vielzahl der Zeitkonstanten und die zumindest eine zusätzliche exponentielle Zeitkonstante umfasst, den Schritt der Anpassung von y(t) für t < t1 an eine Summe von N ausgewählten Exponentialgrößen mit Zeitkonstanten τn und Intensitäten αn umfasst, wobei der Wert von N größer als während des Schritts der Anpassung der Abklingkurve an die Summe der ersten Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen ist, und ferner mit dem Schritt der Bedingung
in
jedem der Anpassungsschritte.
12. Verfahren zum Betreiben eines medizinischen Abbildungssystems mit einer Strahlungserfassungseinrichtung, die durch eine Vielzahl von Komponenten mit unterschiedlichen Zeitkonstanten charakterisiert werden kann, mit den Schritten:
Anpassen einer Abklingkurve der Strahlungserfassungseinrichtung an eine Summe einer Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen mit einem ersten Satz von Zeitkonstanten,
Anwenden einer Korrektur bei einer gemessenen Antwort der Erfassungseinrichtung unter Verwendung einer Summe der Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen mit dem ersten Satz von Zeitkonstanten zum Erhalten einer korrigierten Antwort,
Auswählen zumindest einer zusätzlichen exponentiellen Zeitkonstante, die von der korrigierten Antwort abhängt,
Anpassen der Abklingkurve an eine Summe einer zweiten Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen, die die erste Vielzahl der Zeitkonstanten und die zumindest eine zusätzliche exponentielle Zeitkonstante umfassen, wobei die zweite Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen Exponentialgrößen mit Zeitkonstanten τn und entsprechenden Stärken αn umfassen,
Aussetzen eines Objekts einer Strahlung von dem medizinischen Abbildungssystem,
Erfassen eines ersten Satzes von Strahlungsdämpfungswerten durch periodische Abtastung eines durch die Strahlungserfassungseinrichtung erzeugten Signals mit einem Intervall Δt, wobei y(kΔt) einen Wert in dem ersten Satz bestimmt, der während eines k-ten Abtastintervalls abgetastet wird,
Erzeugen eines zweiten Satzes von Datenwerten aus dem ersten Satz der Strahlungsdämpfungswerte, wobei jeder Datenwert xk durch folgende Gleichung definiert ist:
und ein Wert von Snk für den ersten Abtastwert Null ist,
und
Rekonstruieren eines Bildes des Objekts aus dem zweiten Satz der Datenwerte.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die zumindest eine zusätzliche exponentielle Zeitkonstante von einem Satz von Zeiten abhängt, die Überschreitungen und Unterschreitungen der korrigierten Antwort entsprechen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schritte der Anpassung der Abklingkurve an die Summe der ersten Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen mit dem ersten Satz von Zeitkonstanten und der Anpassung der Abklingkurve an die Summe der zweiten Vielzahl der gewichteten Exponentialgrößen jeweils eine Anpassung mit minimalem kleinsten quadratischen Fehler (MLSE) umfassen.
15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt der Auswahl zumindest einer zusätzlichen exponentiellen Zeitkonstante den Schritt der Auswahl zumindest einer zusätzlichen exponentiellen Zeitkonstante umfasst, die kleiner als die kleinste Zeitkonstante der ersten Vielzahl gewichteter Exponentialgrößen ist.
16. Verfahren nach Anspruch 13, ferner mit dem Schritt der Bestimmung einer Abklingkurve der Strahlungserfassungseinrichtung.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Bestimmung einer Abklingkurve der Strahlungserfassungseinrichtung die Schritte umfasst:
Einschalten einer Röntgenquelle des CT-Systems zur Zeit t0 für einen Zeitabschnitt, der zur Sättigung der Abklingkomponenten der Strahlungserfassungseinrichtung lange genug ist, und
Ausschalten der Röntgenquelle zu einer späteren Zeit t1.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Bestimmung der Abklingkurve der Strahlungserfassungseinrichtung ferner den Schritt der Abtastung von Ausgangssignalen von jedem Erfassungselement der Erfassungseinrichtung, während die Röntgenquelle eingeschaltet ist, und während eines Zeitabschnitts umfasst, nachdem die Röntgenquelle ausgeschaltet wurde.
19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Bestimmung der Abklingkurve der Strahlungserfassungseinrichtung ferner die Schritte der Mittelung von Abtastwerten der Erfassungseinrichtungsausgangssignale, die während des Eingeschaltetseins der Röntgenquelle erfasst werden (t0 < t1 - δt < t < t1), und der Herleitung eines Werts für eine Röntgenflussintensität y aus den gemittelten Abtastwerten der Erfassungseinrichtungsausgangssignale umfasst, wobei die Erfassungselementantwort y(t) während des Charakterisierungsvorgangs wie folgt definiert ist:
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