DE102004001273A1

DE102004001273A1 - Verfahren zur Erzeugung eines Schnittbildes

Info

Publication number: DE102004001273A1
Application number: DE102004001273A
Authority: DE
Inventors: Marc Dr. Liévin; Erwin Dr. Keeve
Original assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Current assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2004-01-08
Publication date: 2005-08-04
Also published as: WO2005066892A2; WO2005066892A3; US20060251313A1; EP1714247A2

Abstract

Bei einem Verfahren zur Erzeugung eines Schnittbildes eines Artefakte (28) aufweisenden Objekts werden beispielsweise mit Hilfe eines Computertomographen zweidimensionale Bilddaten erzeugt. Die Erzeugung der zweidimensionalen Bilddaten erfolgt aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen (20, 22). Erfindungsgemäß werden Bildpunkte erfasst, die einen durch das Artefakt hervorgerufenen störenden Datenwert aufweisen. Die so erfassten Bildpunkte werden zu Bildbereichen (30) zusammengefasst. Im nächsten Schritt werden die Bildbereiche (30) durch Füllverfahren gefüllt und somit korrigierte Bilddaten erzeugt. Auf Grundlage der korrigierten Bilddaten wird das Objekt-Schnittbild, beispielsweise durch Rückprojektion, erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Schnittbildes eines Objekts, das ein oder mehrere Artefakte aufweist. Insbesondere betrifft die Erfindung die Anwendung dieses Verfahrens in medizinischen Bereichen.

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. Hierzu wird beispielsweise eine Konus-Strahl-Vorrichtung verwendet, die einen konusförmigen Strahl, insbesondere einen Röntgenstrahl, erzeugt, der um das zu untersuchende Objekt rotiert wird. Ein Schnittbild, d.h. ein Computertomografie-Bild einer Ebene, wird durch die sog. Rückprojektion der erhaltenen Daten erzeugt. Rückprojektionsverfahren sind beispielsweise in F. 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 Röntgenstrahlen 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 der Prothesen bzw. Prothesenteile aus Metall. Bei den als Artefakte bezeichneten, dichteren Bereichen kann es sich beispielsweise auch um Metallschrauben oder Metallplatten handeln, die beispielsweise bei Knochenbruch-Operationen eingesetzt wurden. Durch die starke Abschwächung der Strahlung, die durch derartige Artefakte hervorgerufen werden, entstehen in der Bildprojektion Lücken. Ferner erzeugen Artefakte 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 on Systems, Man, and Cybernetics, 9(1): 62-66, 1979).

Das Problem des Auftretens von Streifen in Schnittbildern tritt auch bei Sättigung auf. Hierbei tritt Sättigung auf, wenn die Röntgenstrahlen nicht abgeschwächt werden. Im Gegensatz zu metallischen Artifakten, bei denen die Strahlen absorbiert werden und in der Projektion ein weißer Bereich erzeugt wird, erscheinen bei Sättigung schwarze Bereiche in der Projektion. In beiden Fällen handelt es sich um durch Artifakte hervorgerufene störende Bereiche in dem Bild, die durch die selben Bildbearbeitungsverfahren bearbeitet werden können.

Zur Rekonstruktion dreidimensionaler Objekte bzw. zur Erzeugung von Schnittbildern aus zweidimensionalen, projizierten Bildern sind unterschiedliche Verfahren unter Verwendung eines konusförmigen Strahls bekannt. Ein derartiges Verfahren ist in „Practical cone-beam algorithm" von L.A. Feldkamp, et. Al. J. Opt. Soc. Am. A/Vol. 1, No. 6 (June 1984) beschrieben. Das Verfahren basiert auf einer gefilterten Rückprojektion erzeugt durch zweidimensionale Bilddaten, wobei alle projizierten Bilder zuerst gefiltert und dann zurückprojiziert werden. Die rückprojizierten Bilder werden sodann zu einem dreidimensionalen Bild bzw. einem Schnittbild kombiniert.

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. Natterer, "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 Reduction", IEEE Transactions on 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 die 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 eines Schnittbildes zu schaffen, bei welchem durch Artefakte hervorgerufene Störungen verringert werden.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren ein Vorbearbeiten der erzeugten zweidimensionalen Bilddaten und anschließend ein Erzeugen des Objekt-Schnittbildes aus den korrigierten Bilddaten. Hierzu werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Schritt zweidimensionale Bilddaten des Objekts aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen erzeugt. Beispielsweise wird das Objekt, wie ein menschliches Körperteil, durch Röntgenstrahlung von mehreren Richtungen beleuchtet. Hierzu wird vorzugsweise ein konusförmiger Strahl eingesetzt, wobei es besonders bevorzugt ist, die Strahlungsquelle entlang eines Scanwegs zu bewegen. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine elliptische Bewegung, eine Kreisbewegung oder Teile derartiger Bewegungen handeln.

Die erzeugten Bilddaten, die zweidimensionalen Bildern entsprechen, jedoch erfindungsgemäß nicht unbedingt zu solchen zusammengesetzt werden müssen, werden zwischengespeichert oder unmittelbar bearbeitet. Bei der Bearbeitung der Bilddaten werden einzelne Bildpunkte erfasst, die einen durch das Artefakt hervorgerufenen, störenden Datenwert aufweisen. Hierbei kann es sich um eine Abbildung des Artefakts, d.h. des Fremdkörpers selbst, handeln. Handelt es sich bei dem Artefakt beispielsweise um einen metallischen Einschluss, wie eine Zahnfüllung oder eine Schraube in einem Knochen, so weist dieser Bereich eine hohe Dichte auf, die eine Art Schatten auf dem Projektionsbild, d.h. Bildpunkte, erzeugt, an denen keine oder nur geringe Mengen an Strahlung empfangen werden.

Bei den störenden Datenwerten kann es sich jedoch auch um Bereiche handeln, die durch Sättigung hervorgerufen wurden . Derartige Bereiche können ebenfalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet und somit die Bildqualität verbessert werden.

Im nächsten Schritt werden die erfassten, störenden Bildpunkte zu einem Bildbereich zusammengefasst. Dies erfolgt erfindungsgemäß insbesondere jeweils gesondert für jede einzelne zweidimensionale Projektion aus unterschiedlichen Richtungen. Die ermittelten Bildbereiche, beispielsweise das zweidimensional abgebildete Artefakt, werden durch Füllverfahren korrigiert, so dass korrigierte Bilddaten erzeugt werden. Hierzu werden die in den zusammengefassten Bildbereichen vorhandenen Bilddaten vorzugsweise zur ggf. späteren Weiterverwendung zwischengespeichert. Mit Hilfe der Füllverfahren werden den einzelnen Bildpunkten Bilddaten zugewiesen, die den den Bildbereich umgebenden Bilddaten ähnlich sind. Hierzu sind unterschiedliche Füllverfahren geeignet, wie beispielsweise beschrieben in: „Grey Scale Image Mophological Operations" in Digital Image Processing, von W.K. Pratt, Second Edition, ISBN 0-471-85766-1, pp. 484-490; „Image Inpainting" von M. Bertalmio et al., Proceedings of SIGGRAPH 2000, New Orleans, USA (July 2000) und „Filling-In by Joint Interpolation of Vector Fields and Gray Levels", C. Ballester et. Al. IEEE Transactions on Image Processing (August 2001).

Aus den so erzeugten korrigierten Bilddaten wird sodann das gewünschte Objekt-Schnittbild erzeugt. Hierbei handelt es sich beispielsweise um ein Computertomographie-Schnittbild. Vorzugsweise wird das Objekt-Schnittbild durch eine Rückprojektion der einzelnen erhaltenen zweidimensionalen, korrigierten Bilddaten erzeugt. Ein derartiges Rückprojektionsverfahren ist beispielsweise in F. Natterer, „The mathematics of computerized tomography", New York: Wiley, 1986, beschrieben.

Bei dem Objekt-Schnittbild kann es sich auch um eine vorzugsweise unmittelbare Erzeugung eines dreidimensionalen Volumens aus den Projektionen handeln.

Der störende Datenwert kann durch einen Grenzwert definiert werden, wobei ein Bildpunkt als "einen störenden Datenwert aufweisend" erfasst wird, sobald der Grenzwert über- oder unterschritten wird. Ebenso kann ein Grenzbereich definiert werden, so dass ein Bildpunkt als „einen störenden Datenwert aufweisend" erfasst wird, sobald der Datenwert innerhalb vorgegebener Grenzen liegt.

Als Füllverfahren zum Korrigieren der zusammengefassten Bildbereiche sind eine Vielzahl zweidimensionaler Bildfüllverfahren geeignet. Besonders bevorzugt sind Bild-Füll-Algorithmen und/oder morphologische Bildschließverfahren und/oder Bildglättungsverfahren. Mit Hilfe von Bildfüllverfahren werden die zusammengefassten Bereiche mit Werten von benachbarten Bildbereichen bzw. Pixeln gefüllt. Geeignete Bildfüllverfahren sind beispielsweise beschrieben in „Image Inpainting", M. Bertalmao et al., Proceedings of SIGGRAPH 2000, New Orleans, USA (July 2000) und „Filling-In by Joint Interpolation of Vector Fields and Gray Levels", C. Ballester et al. IEEE Transactions on Image Processing (August 2001).

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf Grundlage der störenden Bildpunkte ein Schnittbild des Artefakts erzeugt. Dies ist möglich, indem die erfassten störenden Bildpunkte in der zweidimensionalen Projektion gesondert erfasst und ggf. zwischengespeichert werden. Aus diesen zweidimensionalen Bildern kann sodann entsprechend dem Verfahren zur Erzeugung eines Objekt-Schnittbildes ein Artefakt-Schnittbild, vorzugsweise durch Rückprojektion, erzeugt werden. Vorzugsweise werden die beiden Schnittbilder anschließend miteinander kombiniert. Hierdurch ist es möglich, ein Schnittbild, beispielsweise durch einen Kiefer oder einen operierten Knochen etc. zu erzeugen, auf dem das Artefakt wie eine Zahnfüllung, eine Schraube oder eine Metallplatte exakt in ihrer Lage erkannt werden kann, da keine störenden, durch das Artefakt hervorgerufenen Streifen eine Bestimmung der Lage des Artefakts stören bzw. unmöglich machen. Dies ist dadurch erzielt, dass das Objekt-Schnittbild auf Grundlage der korrigierten Bilddaten, d.h. insbesondere korrigierter zweidimensionaler Bilder, erzeugt wird und erst anschließend das ebenfalls erzeugte Artefakt-Schnittbild mit dem Objekt-Schnittbild kombiniert wird. Die durch das Artefakt hervorgerufenen Streifen in dem Schnittbild, die bei einer Kombination unbearbeiteter zweidimensionaler Bilddaten entstehen, sind somit vermieden.

Vorzugsweise erfolgt die Erzeugung des Objekt-Schnittbildes und/oder des Artefakt-Schnittbildes durch gefilterte Rückprojektion. Ferner kann die Erzeugung des Schnittbildes durch die algebraische Rekonstruktionstechnik (ART) oder die Maximal-Wahrscheinlichkeits-Methode (ML) erzeugt werden. Diese Methoden sind beispielsweise in „Multiscale Cone-Beam X-Ray Reconstruction" von Yves Trouset et. Al., SPIE Vol 1231 Medical Imaging IV: Image Formation (1990), beschrieben.

Zur Erzeugung der zweidimensionalen Bilddaten wird vorzugsweise eine Konus-Strahl-Vorrichtung, die insbesondere einen C-förmigen Arm aufweist, erzeugt. Ebenso ist es möglich, die zweidimensionalen Bilddaten durch "digital volume tomography (DVT)", durch "spriral computer tomography" und/oder "headical computer tomography" zu erzeugen. Anstelle des Verwendens von Röntgenstrahlen können auch Gammakameras für die Positions-Emissions-Tomographie (PET) oder für die Einzelpositions-Emissions-Tomographie (SPECT) eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für medizinische Anwendungen geeignet. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Untersuchungen oder Operationen an Zahnfüllungen aufweisenden Zähnen oder um die Untersuchung bzw. Operation von Knochenbrüchen oder dgl., bei denen Schrauben, Stifte, Platten etc. verwendet wurden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 und 2 eine schematische Ansicht einer einen konusförmigen Strahl erzeugenden Computertomographie-Vorrichtung mit C-Bogen in unterschiedlichen Stellungen,
3 ein zweidimensionales, durch einen in den 1 und 2 dargestellten Computertomographen erzeugtes Bild,
4 das in 3 dargestellte Bild, in dem zusätzlich die Bildbereiche markiert sind, die störende Bildpunkte aufweisen,
5 das in 4 dargestellte zweidimensionale Bild, in dem die Bildbereiche durch ein Füllverfahren korrigiert wurden,
6 ein aus mehreren zweidimensionalen Bildern entsprechend dem in 5 dargestellten Bild erzeugtes Schnittbild,
7 ein zweidimensionales Bild der aus dem in 4 dargestellten Bild entfernten Artefakte,
8 eine Kombination aus einem Artefakte-Schnittbild mit dem in 6 dargestellten Objekt-Schnittbild, und
9 ein 8 entsprechendes Schnittbild, auf welches das erfindungsgemäße Verfahren nicht angewandt wurde.
Schnittbilder können beispielsweise mit Computertomographen erzeugt werden. Derartige Computertomographen weisen beispielsweise eine Röntgenstrahlquelle 10 auf, die einen konusförmigen Strahl 12 erzeugt. Der konusförmige Strahl 12 ist auf ein Objekt 14, wie einen menschlichen Körper, gerichtet. Von einem der Strahlenquelle 10 gegenüberliegenden Detektor 16 werden zweidimensionale Bilddaten aufgenommen. Das Objekt 14, wie beispielsweise der menschliche Körper, sind auf einem Tisch 18 angeordnet. Zur Erzeugung von zweidimensionalen Bilddaten aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen 20, 22 kann ein C-förmiger Arm 24 des Computertomographen in Richtung eines Pfeils 26 in die in der 2 dargestellte Stellung verschwenkt werden. Zur Erzeugung eines Computertomographie-Schnittbildes werden bis zu 200 Einzelbilder aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen erzeugt.
Ein einziges zweidimensionales, durch Computertomographie erzeugtes Bild einer menschlichen Wirbelsäule ist in 3 dargestellt. In 3 sind somit die zweidimensionalen Bilddaten, die durch Projektion aus einer Projektionsrichtung erhalten werden, visualisiert. Hierbei sind in der Projektion zwei Artefakte 28 in Form von Schrauben erkennbar. Die Artefakte 28 würden bei der Erzeugung eines Schnittbildes aus einer Vielzahl von zweidimensionalen Bildern aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen in einem Bild Streifen erzeugen und ein Bestimmen der Lage der Schraube und eine Aussage über das die Schraube umgebende Material unmöglich machen. Ein derartiges Schnittbild ist in 9 dargestellt.
Erfindungsgemäß werden die Bildpunkte der Artefakte 28, die störende Datenwerte aufweisen, erfasst. Im dargestellten Beispiel kann dies durch einen vorgegebenen Grenzwert erreicht werden, der durch die schattenartige Abbildung der Schrauben unterschritten ist. Die erfassten Bildpunkte werden zu Bildbereichen 30 (4) zusammengefasst und zur späteren Verwendung zwischengespeichert.
Anschließend werden die Bildbereiche 30 durch geeignete Füllverfahren gefüllt, so dass korrigierte, zweidimensionale Bilddaten (5) erzeugt werden. Das Erzeugen korrigierter Bilddaten wird für sämtliche aus den unterschiedlichen Projektionsrichtungen erzeugten zweidimensionalen Bilder durchgeführt. Aus der Vielzahl der so erhaltenen korrigierten Bilddaten wird sodann, vorzugsweise durch Rückprojektion, das Objekt-Schnittbild (6) erzeugt.
Aus den zwischengespeicherten zweidimensionalen Daten der Artefakte 28 aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen kann auf dieselbe Weise ein Artefakte-Schnittbild erzeugt werden. Dieses kann sodann wiederum mit dem Objekt-Schnittbild (6) kombiniert werden, so dass das gewünschte Schnittbild (8) entsteht, in dem die Lage des Artefakts 28 exakt bestimmt und auch die Umgebung definiert abgebildet ist. Aus einem derartigen Bild können beispielsweise über den Heilungsprozess erheblich bessere Informationen abgeleitet werden als aus einem Computertomographie-Schnittbild (9), das nicht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet wurde.

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Schnittbildes eines ein Artefakt (28) aufweisenden Objekts aus zweidimensionalen Daten, insbesondere eines Computertomographie-Schnittbildes, mit den Schritten: – Erzeugen zweidimensionaler Bilddaten des Objekts aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen (20, 22), – Erfassen von Bildpunkten, die einen durch das Artefakt (28) hervorgerufenen, störenden Datenwert aufweisen, – Zusammenfassen der störenden Bildpunkte zu Bildbereichen (30), – Korrigieren der Bildbereiche (30) durch Füllverfahren zur Erzeugen korrigierter Bilddaten und – Erzeugen des Objekt-Schnittbildes aus den korrigierten Bilddaten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die störenden Datenwerte einen Grenzwert über- oder unterschreiten oder innerhalb eines Grenzbereichs liegen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem zum Korrigieren der Bildbereiche als Füllverfahren Bild-Füll-Algorithmen und/oder morphologische Bild-Schließverfahren und/oder Bild-Glättungsverfahren eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 – 3, bei welchem auf Grundlage der störenden Bildpunkte ein Schnittbild des Artefakts (28) erzeugt und das Artefakt-Schnittbild mit dem Objekt-Schnittbild kombiniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 – 4, bei welchem das Objekt-Schnittbild und/oder das Artefakt-Schnittbild erzeugt wird durch gefilterte Rückprojektion und/oder algebraische Rekonstruktionstechnik.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 – 5, bei welchem die zweidimensionalen Bilddaten durch eine Konus-Strahl-Vorrichtung, insbesondere eine einen C-Bogen aufweisende, einen konusförmigen Röntgenstrahl erzeugende Vorrichtung erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 – 6 für medizinische Anwendungen.