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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Tomosynthese-Bildgebungssysteme.
Mehr im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Technik zum
Korrigieren oder Vermeiden bestimmter Artefakte und zum allgemeinen
Verbessern von Tomosynthese-Bildern, durch Verwendung einer ungleichmäßigen Gewichtung
von Ansichten (Views).
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In
den letzten Dekaden wurden Tomosynthese-Systeme entwickelt, die
nun wesentliche Vorteile für
viele Arten der Bildgebung, etwa auf dem medizinischen Diagnosefeld
bieten. Allgemein gesehen beinhaltet die Röntgen-Tomosynthese die Verwendung einer
niedrig dosierten Röntgenstrahlung
zur Erzeugung einer Reihe von Bilder, die über einen Bereich von Röntgenstrahlorientierungen
bezüglich
eines Bildobjektes akquiriert werden. Bei gegenwärtig zur Verfügung stehenden
Systemen ist das Objekt vor einem digitalen Detektor angeordnet,
und die Röntgenstrahlquelle
wird in verschiedene Positionen verbracht, um die Bilderserie zu
erzeugen. Es kann eine Anzahl solcher Bilder erzeugt werden, typischerweise
mehr als 50 oder 60. Der Detektor sammelt elektrische Daten, die
für die
Ladungsverarmung an einzelnen Pixelorten kennzeichnend sind, was
daher rührt,
dass die Röntgenstrahlung
an diesen Orten durch dazwischenliegende Objekte, etwa Merkmale des
Bildsubjekts, bspw. im medizinischen Zusammenhang mit einem Patienten
geschwächt
werden. Die Akquisition von Bildern des Subjekts aus verschiedenen
Orientierungen des Röntgenstrahls
erlaubt es in dem endgültigen
3D-Bild eine Tiefeninformation zu haben. Die Tiefeninformation ist
bei der gebräuchlichen
Röntgenprojektionsbildgebung
nicht zu erhalten, was die Tomosynthese zur Identifizierung spezieller
interessierender Merkmale und deren allgemeiner örtlichen Lage in dem Subjekt
attraktiv macht.
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Für die Tomosynthese-Bildgabe
sind gegenwärtig
digitale sogenannte Flatpanel-Röntgendetektoren
aus amorphem Silizium erhältlich.
Es kann aber in der Regel jeder Röntgenstrahldetektor verwendet werden,
der ein digitales Projektionsbild liefert. Dazu gehören z.B.
Charge Coupled Device (CCD)-Arrays, digitale Filmscreens oder andere
digitale Detektoren, wie Direktumwandlungsdetektoren. Das geringe elektrische
Rauschen und die schnellen Lesezeiten solcher Detektoren gestatten
im Vergleich mit im Wettbewerb stehenden Detektortechnologien Akquisitionen
mit vielen Projektionen bei geringer Gesamtdosis für den Patienten.
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Anschließend an
die Akquisition der Bilddaten beinhaltet die Tomosynthesetechnik
die Rekonstruktion von Bildern in verschiedenen „Schichten" (Slices) durch das Subjekt. Rekonstruktionsalgorithmen
gestatten die Rekonstruktion vieler solcher Schichten in unterschiedlichen
räumlichen
Ebenen typischerweise parallel zu der Bildgebungsebene des Detektors.
Diese Schichten enthalten verschiedene Anatomien, die in verschiedener
Höhe oberhalb
des Detektors sich befinden, wobei darüber- und darunterliegende Strukturen
in der Regel unterdrückt
sind. Die Erzeugung von Schichten auf Projektionsbildern beinhaltet
typischerweise eine Kette von Verarbeitungs- und anderen Operationen.
Zu bemerken ist, dass der Ausdruck „Projektion" sich allgemein auf eine
spezielle Geometrie oder Positionierung der Röntgenstrahlquelle bezüglich des
Subjekts und des Detektors bezieht, wobei viele solche Projektionen zur
Erzeugung der oben erwähnten
Schichten verwendet werden.
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Verarbeitungsverfahren
und Operationen, die zur Erzeugung von Schichten aus Projektionsbildern
bei der Tomosynthese verwendet werden, beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein,
Standardvorverarbeitungsschritte, spezielle Vorverarbeitungsschritte,
Rekonstruktionsschritte und Nachverarbeitungsoperationen. Zu den
Standardvorverarbeitungsoperationen gehören Detektorkorrekturen, etwa hinsichtlich
Verstärkung,
Versatz (Offset), defekten Pixeln im Detektor usw. Dazu können außerdem Korrekturen
hinsichtlich geometrischer Verformungen, Logtransformation zum Speichern
eines „Film-Like-Look" usw. zählen. Spezielle
Vorverarbeitungsschritte können
eine Randkorrektur fehlerhafter Detektoren, Auffüllen (Padding), Strahlaufhärtungskorrektur,
Korrektur eines Strahlungsbrennfleckversatzes, Bezugswertnormalisierung
und so fort beinhalten. Die Rekonstruktionsschritte und Algorithmen können auch
variieren. Viele solche Algorithmen basieren auf Prinzipien der
gefilterten Rückprojektion, wie
Schiebe- und Additionstechniken, verallgemeinerter gefilterter Rückprojektionstechnik,
oder Statistikrückprojektionen
usw. Algorithmen auf der Basis der Prinzipien der gefilterten Rückprojektion,
bei denen zunächst
eine Rückprojektion
vorgenommen wird an, die sich eine 2D/3D-Filterung anschließt und Algorithmen,
die auf minimalen Normlösungen
basieren, stehen auch zur Verfügung.
Dazu gehören
Algorithmen, die als ART, DART, MITS, TAGT, fourierbasierte Rekonstruktion,
Zielfunktion-Basisrekonstruktion, ML, MAP usw. oder Kombinationen
derselben bezeichnet sind. Die Nachverarbeitung kann verschiedene
Arten von Bild- und Kontrastverbesserung beinhalten, wie etwa Gewebeausgleich,
Dickenkompensation, Helligkeits- und Weisswertabgleich und zusätzliche
Artefaktmanagementroutine.
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Im
Allgemeinen ist die Rückprojektion
das bevorzugte Verfahren zur Erzeugung von TomosyntheseSchichten
und es wird typischerweise bei vielen der oben aufgeführten Rekon struktionsalgorithmen benutzt.
Bei der Rückprojektion
werden den berechneten Pixel der Schichten an den verschiedenen
Niveaus oberhalb der bildgebenden Ebene Pixelintensitätswerte
zugeordnet, um die Schichtbilder aus den Projektionsdaten zu bilden.
Dies geschieht in der Regel in der Weise, dass durch Division der
Intensität der
Pixel in den Projektionsdaten durch die Zahl der zu rekonstruierenden
Schichten bei jeder Schicht Pixelwerte zugeteilt werden. Die gleichmäßige Gewichtung
der Ansichten (Views) erzeugte aber doch viele Probleme und Unzuträglichkeiten
bei den rekonstruierten Bildern. Diese Umstände können dann zu Artefakten, wie
Wellenmustern in den rekonstruierten Bildern, einen, allgemeinen
Abfall der Intensitätswerte
nahe der Ränder
der Bilder und Geisterbilder auf Höhenlagen oberhalb der Bildgebungsebene,
an denen das Subjekt sich nicht befunden haben kann (d.h. jenseits
der physikalischen Begrenzungen des abzubildenden Subjekts) führen. Es
besteht deshalb ein Bedürfnis
nach verbesserten Techniken zur Bilddatenverarbeitung bei der Tomosynthese.
Es besteht ein spezielles Bedürfnis
nach einer Technik, die einen großen Bereich von Faktoren berücksichtigt,
die rekonstruierte Bilder unstimmig machen können oder sonstwie die Bilder
verschlechtern. Zum Beispiel besteht ein Bedürfnis nach Techniken, die den
Datenabfall nahe der Ränder
der Schichtbilder verringern, die Zuordnung von Werten jenseits
der Begrenzungen des Subjekts herabsetzen und die Deformation oder Unstimmigkeit
der sich ergebenden Daten verringern, die von vielen Faktoren herrühren können, welche
die dahinterliegenden Projektionsdaten beeinträchtigen.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung schafft neue Techniken zur Verarbeitung von
Tomosynthesedaten, die dazu geschaffen wurden, den erwähnten Bedürfnissen
abzuhelfen. Die Techniken können
in einem weiten Bereich von Verarbeitungsschritten eingesetzt werden,
sie sind aber speziell gut geeignet, für Rückprojektionsprozesse der Art,
wie sie bei vielen Ansätzen
zur Bildrekonstruktion bei der Tomosynthese benutzt werden. Die
Techniken schaffen eine Gewichtung von Ansichten bei der Tomosynthese,
die aus einem oder mehreren Gründen
nicht linear ist. Die Technik kann z.B. auf der Erzeugung von Gewichtungsmaps
beruhen, die Gewichtungen beinhalten können, welche für jedes
Pixel in den verschiedenen Schichten spezifisch sind. Eine Zählmap (count-map) kann
zusammen mit einer Schichtgewichtungsfunktion und einer Projektionsgewichtungsfunktion
in einer Verarbeitung beinhaltet sein. Diese Maps können vor der
Bildgebung berechnet und bei der Rekonstruktion benutzt werden oder
sie können
für spezielle
Bildgebungsimplementierungen und Untersuchungen angepasst sein.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 ist
eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Tomosynsthese-Systems,
bei dem eine ungleichmäßige View-Gewichtung
gemäß den vorliegenden
Techniken implementiert ist;
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2 ist
eine schematische Veranschaulichung einer physikalischen Implementierung
des Systems nach 1;
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3 ist
eine schematische Seitenansicht von Strahlungswegen, während einer
Tomosynthese-Bildakquisitionsserie unter Veranschaulichung von bei
der Gewichtung von Schichtdaten auftretenden Fragen, die bei der
vorliegenden Technik berücksichtigt
werden;
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4 ist
eine Draufsicht auf eine beispielhafte Zähl map, die zur ungleichmäßigen Gewichtung von
Bilddaten gemäß der vorliegenden
Erfindung benutzt wird;
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5 ist
eine grafische Veranschaulichung einer Schichtgewichtungstechnik,
die zur Berücksichtigung
physikalischer Begrenzungen eines abzubildenden Subjekts benutzt
wird und
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6 ist
eine Veranschaulichung von Projektionsgewichtungsmasken, die bei
der vorliegenden Technik dazu verwendet werden, Variationen der Antwort
eines Tomosynthese-Systems bei verschiedenen Projektionen Rechnung
zu tragen.
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Detallierte
Beschreibung spezieller Ausführungsformen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines beispielhaften Tomosynthese-Systems,
das allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und
zum Akquirieren, Verarbeiten und Darstellen von Tomosynthese-Bildern,
einschließlich
Bildern verschiedener Schichten (Slices) durch ein interessierendes
Subjekt gem. der vorliegenden Technik dient. Bei der in 1 veranschaulichten
Ausführungsform beinhaltet
das Tomosynthese-System 10 eine Röntgenstrahlquelle 12,
die in der Regel in einer Ebene oder in drei Dimensionen bewegbar
ist. Bei der beispielhaften Ausführungsform
gehören
zu der Röntgenstrahlquelle 12 typischerweise
eine Röntgenröhre und
zugeordnete Lager- und Filterkomponenten.
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Von
der Quelle 12 wird eine Strahlungskeule 14 emittiert,
die in einen Bereich eines Subjekts, etwa eines menschlichen Patienten 18 eindringt.
Ein Kollimator 16 dient dazu, die Größe und die Gestalt des Röntgenstrahls 14,
der von der Röntgenstrahlquelle zu
dem Subjekt hin austritt, zu definieren. Ein Teil der Strahlung 20 geht
durch das Subjekt durch und um dieses herum und trifft auf ein Detektorarray,
das allgemein mit dem Bezugzeichen 22 bezeichnet ist. Detektorelemente
des Arrays erzeugen elektrische Signale, die die Intensität des jeweils
auftreffenden Röntgenstrahls
wiedergeben. Diese Signale werden akquiriert und zur Rekonstruktion
eines Bildes der Merkmale in dem Subjekt verarbeitet.
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Die
Quelle 12 ist durch eine Systemsteuereinrichtung 24 gesteuert,
die sowohl Leistung, als auch Steuersignale für Tomosynthese-Untersuchungssequenzen,
einschl. auch zur Positionierung der Quelle 12 bezüglich des
Subjektes 18 und des Detektors 22 liefert. Darüber hinaus
ist der Detektor 22 an die Systemsteuereinrichtung 24 angekoppelt, die
die Akquisition der von dem Detektor 12 erzeugten Signale
anordnet. Die Systemsteuereinrichtung 24 kann auch verschiedene
Signalverarbeitungs- und Filterungsfunktionen, wie etwa die anfängliche Einstellung
von Dynamikbereichen, Verschachteln von digitalen Bilddaten usw.
ausführen.
Im allgemeinen steuert die Systemsteuereinrichtung 24 den
Betrieb des Bildgebungssystem, sodass dieses die Untersuchungsprotokolle
ausführt
und die akquirierten Daten verarbeitet. In diesem Zusammenhang beinhaltet
die Systemsteuereinrichtung 24 auch eine Signalverarbeitungsschaltung,
die typischerweise auch einen Allzweck- oder anwendungsspezifischen
digitalen Computer, zugeordnete Speicherschaltungen zur Speicherung
von dem Computer ausgeführten Programmen
und Routinen wie auch Konfigurationsparameter und Bilddaten, Interface-Schaltungen usw.
beinhaltet.
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Bei
der in 1 veranschaulichten Ausführungsform weist die Systemsteuereinrichtung 24 eine Röntgenstrahlsteuereinrichtung 26 auf,
die die Erzeugung von Röntgenstrahlen
durch die Quelle 12 steuert. Im Einzelnen ist die Rönt genstrahlsteuereinrichtung 26 so
ausgelegt, dass sie der Röntgenstrahlquelle
Leistung und Taktsignale zuleitet. Eine Motorsteuereinrichtung 28 dient
dazu, die Bewegung eines Positionsuntersystems 32 zu steuern,
das die Position und Orientierung der Quelle bezüglich dem Subjekt und dem Detektor
steuert. Das Positionsuntersystem kann auch eine Bewegung des Detektor
oder sogar des Patienten anstelle von oder zusätzlich zu der Quelle veranlassen.
Zu bemerken ist, dass bei gewissen Konfigurationen das Positionsuntersystem 32 weggelassen
werden kann, insbesondere wenn mehrere ansteuerbare Quellen 12 vorgesehen
sind. Bei solchen Konfigurationen können Projektionen dadurch erreicht
werden, dass verschiedene Röntgenstrahlungsquellen
entsprechend positioniert sind. Schließlich ist bei der Darstellung
nach 1 der Detektor 22 mit einem Datenakquisitionssystem 30 gekoppelt,
das die von einer Leseelektronik des Detektors 22 gesammelten
Daten empfängt.
Das Datenakquisitionssystem 30 empfängt typischerweise gesampelte
Analogsignale von dem Detektor und wandelt diese Signale für die nachfolgende
Verarbeitung durch einen Computer 34 in Digitalsignale
um. Diese Umwandlung und auch die Vorverarbeitung können tatsächlich bis
zu einem gewissen Grad in der Detektoranordnung selbst vorgenommen
werden.
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Der
Computer 34 ist typischerweise an die Systemsteuereinrichtung 24 angekoppelt.
Von dem Datenakquisitionssystem 30 gesammelte Daten werden
dem Computer 34 und auch einer Speichervorrichtung 36 übermittelt.
Viele geeignete Arten von Speichervorrichtungen und selbst von Computern, können für die vorliegende
Technik verwendet werden, insbesondere Prozessoren und Speichervorrichtungen,
die große
Mengen von in dem System erzeugten Daten verarbeiten und speichern
können. Darüber hinaus
ist der Computer 34 dazu ausgelegt, Befehle und Scannparameter
von einem Bediener über
eine Bedienerarbeitsstation 38 zu empfangen, die typischerweise mit
einer Tastatur, einer Maus oder anderen Eingabevorrichtungen ausgerüstet ist. Ein
Bediener kann das System über
diese Vorrichtungen steuern und Untersuchungen zum Akquirieren von
Bilddaten auslösen.
Darüber
hinaus ist der Computer 34 dazu eingerichtet, eine Rekonstruktion
der Bilddaten vorzunehmen, wie dies in größerem Detail im Nachstehenden
noch erörtert
werden wird. Falls gewünscht,
können
andere Computer oder Arbeitsstationen einige oder alle Funktionen
der vorliegenden Technik ausführen,
einschließlich
der Nachverarbeitung von Bilddaten, auf die einfach bei der Speichervorrichtung 36 oder
einer anderen Speichervorrichtung an dem Ort des Bildgebungssystems
oder von diesem Ort entfernt, zugegriffen wird.
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Bei
der schematischen Veranschaulichung nach 1 ist ein
Display 40 an die Bedienerarbeitsstation 38 angekoppelt,
um rekonstruierte Bilder zu betrachten und die Bildgebung zu steuern.
Darüber hinaus
kann das Bild auch über
einen Drucker 42 ausgedruckt oder sonst wie in Form einer
Hardcopy ausgegeben werden. Die Bedienerarbeitsstation und das Gesamtsystem
können
an große
Bilddatenspeichereinrichtungen, wie etwa ein Bildarchivierungs- und
Kommunikationssystem (PACS) 44 angekoppelt sein. Das PACS 44 kann
mit einem fernliegenden Klienten, wie er mit dem Bezugszeichen 46 bezeichnet ist,
gekoppelt sein, sodass Bilder und Bilddaten für eine Fernbetrachtung und
Fernverarbeitung, wie dies hier beschrieben wird, angefordert und übermittelt werden
können.
Zu bemerken ist außerdem,
dass der Computer 34 und die Bedienerarbeitsstation 38 auch
an andere Ausgabevorrichtungen angekoppelt sein können, zu
denen Standard- oder
einem speziellen Zweck dienende Computermonitore, Computer und zugeordnete
Verarbeitungsschaltungen gehören können. Eine
oder mehrere Bedienerarbeitsstationen 38 können außerdem mit
dem System verlinkt sein, um Systemparameter abzugeben, Untersuchungen anzufordern,
Bilder zu betrachten, usw.. Allgemein können Displays, Drucker, Arbeitsstationen
oder ähnliche
in dem System zur Verfügung
stehende Vorrichtungen lokal bei den Datenakquisitionskomponenten
oder, wie im Vorstehenden beschrieben, von diesen Komponenten entfernt,
etwa irgendwo in einer Anstalt oder an einem vollständig verschiedenen Ort
angeordnet sein, wobei sie mit dem bildgebenden System durch irgendein
geeignetes Netzwerk, wie das Internet, virtuelle private Netzwerke,
Ethernet-Netze, usw. verlinkt sein können.
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Bezugnehmend
allgemein auf 2 ist dort eine beispielhafte
Implementierung eines Tomosynthese-Bildgebungssystems der anhand
von 1 erläuterten
Art veranschaulicht. Wie in 2 dargestellt,
erlaubt ein Bildgebungsscanner 50 allgemein die Anordnung
eines Subjekts 18 zwischen der Quelle 12 und dem
Detektor 22. Wenngleich in 2 Platz
zwischen dem Subjekt und dem Detektor 22 dargestellt ist,
kann in der Praxis das Subjekt direkt vor die Bildgebungsebene und
dem Detektor positioniert sein. Der Detektor kann darüberhinaus
in seiner Größe und Bauform
variieren. Die Röntgenstrahlquelle 12 ist
so dargestellt, dass sie an einem Quellenort oder einer Quellenposition 52 positioniert
ist, um eine Projektion oder eine Serie von Projektionen zu erzeugen.
Im Allgemeinen ist die Quelle beweglich, um es zu ermöglichen,
in einer Bildgebungssequenz mehrere solcher Projektionen zu erlangen.
Bei der Darstellung nach 2 ist durch das Array der von
der Quelle 12 einnehmbaren Positionen eine Quellenebene 54 definiert.
Die Quellenebene 54 kann naturgemäß auch durch dreidimensionale
Trajektorien (Bahnen) für
eine bewegliche Quelle ersetzt sein. Alternativ können für mehrere
Quellen, die voneinander unabhängig
oder nicht bewegbar sein können,
zwei- oder dreidimensionale Konstruktionen und Bauarten angegeben
werden.
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Im
typischen Betrieb projiziert die Röntgenstrahlquelle 12 einen
Röntgenstrahl
von ihrem Brennfleck auf den Detektor 22. Ein Teil des
Strahles 14, der das Subjekt 18 durchdringt ergibt
geschwächte
Röntgenstrahlen 20,
die auf den Detektor 22 auftreffen. Die Strahlung ist dabei
von den inneren Merkmalen des Subjekts, wie etwa inneren Anatomien
im Fall der medizinischen Bildgabe, geschwächt oder absorbiert worden.
Der Detektor besteht aus einer Anzahl Detektorelemente, die im Allgemeinen
diskreten Bildelementen oder Pixeln in den sich ergebenden Bilddaten
entsprechen. Die jeweils individuelle Pixelelektronik detektiert
die Intensität
der auf jeden Pixelort auftreffenden Strahlung und erzeugt Ausgangssignale,
die für
diese Strahlung kennzeichnend sind. Bei einer beispielhaften Ausführungsform
besteht der Detektor aus einem Array von 2048 × 2048. Andere Detektorbauarten
und -auflösungen
sind naturgemäß auch möglich. Jedes
Detektorelement an jedem Pixelort erzeugt ein für die auftreffende Strahlung
kennzeichnendes Analogsignal, das für die Weiterverarbeitung in
einen Digitalwert umgewandelt wird.
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Die
Quelle 12 wird so bewegt und ausgelöst oder verteilte Quellen werden
in entsprechender Weise ausgelöst,
dass eine Anzahl Projektionen oder Bilder von verschiedenen Quellenorten
aus erzeugt werden. Diese Projektionen werden unter verschiedenen
Betrachtungswinkeln erzeugt und die sich ergebenden Daten werden
von dem Bildgebungssystem gesammelt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform
ist die Quelle 12 etwa 180 cm von dem Detektor entfernt
angeordnet, in einem Gesamtbewegungsbereich der Quelle zwischen
31 cm und 131 cm, was eine 5° bis
20°-Bewegung
der Quelle von einer Zentralstellung aus ergibt. Bei einer typischen Untersuchung
werden viele solche Projektionen akquiriert, etwa mehr als 50 oder
60, wenngleich diese Zahl variieren kann.
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Entweder
direkt bei dem Bildgebungssystem oder in einem Nachverarbeitungssystem
werden von dem System gesammelte Daten dadurch behandelt, dass mathematische
Operationen an ihnen vorgenommen werden, die dazu dienen, die Orte
an denen Objekt in dem Subjekt lokalisiert sind, die die von dem
Detektor erfasste Abschwächung
des Röntgenstrahls
hervorriefen, zu berechnen. Dieser allgemeine Prozess wird in der
Regel als Rückprojektion
bezeichnet. Es hat sich gezeigt, dass es bei der gebräuchlichen
Rückprojektion
eine Anzahl Probleme bei deren Anwendung auf die Tomosynthese-Bildgebung
gibt. Zum Beispiel berücksichtigen
diese Techniken typischerweise nicht den Umstand, dass unterschiedliche
Gebiete verschiedener Schichten bei bestimmten Projektionen von
Strahlung durchdrungen sind und andere es nicht sind. Weil die Rückprojektionstechniken
typischerweise davon ausgehen, dass alle rekonstruierten Schichten
in gleichem Maße
zur Röntgenstrahlabschwächung beitragen,
tritt eine Verschlechterung der Bildqualität bei bestimmten Schichten
einfach deshalb auf, weil die Annahme unzutreffend ist. In ähnlicher
Weise können
gebräuchliche
Techniken im Ergebnis zu der Annahme führen, dass physikalisch außerhalb
eines Subjekts liegende Orte zu der Röntgenstrahlabschwächung beigetragen
haben. Weiterhin gehen die Techniken davon aus, dass alle Projektionen,
die den verschiedenen Quellen- und/oder Detektororten entsprechen
für alle Pixel
in den Projektionen in gleichem Maße gültig sind. Wie im Weiteren
im größerem Detail
noch erörtert,
werden diese Annahmen durch die vorliegende Technik dadurch korrigiert,
dass eine ungleichmäßige Gewichtung
der Views in dem Bildrekonstruktionsvorgang erfolgt. Details hinsichtlich
der speziellen Schritte bei der Bildrekonstruktion werden hier nicht eigens
angegeben, weil diese Schritte generell gebräuchlicher Art sein können.
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3 veranschaulicht
eine Seitenansicht eines Tomosynthese-Systems, in der zwei Projektionskonfigurationen
dargestellt sind. Die allgemein mit dem Bezugszeichen 56 bezeichnete
Projektionskonfiguration ist so dargestellt, dass sie zwei Quellenpositionen 58, 60 aufweist,
von denen die Quellenposition 60 im Wesentlichen einer
bezüglich
des Detektors 23 zentralisierten Quellenposition entspricht
und die Quellenposition 58 gegenüber der zentralen Position
versetzt ist. Jede Quellenposition erzeugt einen Strahl 62 allgemein
in Fächerform,
der in der tatsächlichen
Praxis ein Kegel oder ein gesteuerter Kegel sein kann. Die Fächerstrahlen 62 treffen
auf den Detektor 22 im Wesentlichen in einer Bildgebungsebene 64 auf.
Oberhalb der Bildgebungsebene 64 können zahlreiche Schichten 66 durch
das Subjekt 18 gelegt werden, um eine Angabe über die
inneren Merkmale des Subjekts zu gewinnen.
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Wie
aus 3 zu entnehmen, schneiden sich die von den Quellenpositionen 58, 60 ausgehenden
Strahlungen in verschiedenen Gebieten des Bildgebungsvolumens unterschiedlich.
Weil die Schichten 66 das Bildgebungsvolumen unterteilen, schneidet
die Strahlung die verschiedenen Schichten auch unterschiedlich und
an räumlich
verschiedenen Orten. Wie in 3 dargestellt,
schneidet z.B. in einem Schnittgebiet 68 Strahlung von
der Quellenposition 58 voll die Strahlung, die von der
Quellenposition 60 ausgeht. In einem anderen Gebiet, allgemein
einem Nicht-Schnittgebiet 70, wird eine obere Schicht 66 nicht
von Strahlung durchdrungen, die an der Quellenposition 58 ihren
Ausgang nimmt, sondern sie wird nur von Strahlung durchdrungen,
die von der Quellenposition 60 kommt.
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Gebräuchliche
Rückprojektionsrekonstruktionstechniken
würden
nun annehmen, dass die Abschwächung
der Strahlung von den verschiedenen, für die Rekonstruktion bestimmten
Schichten in jeder Schichtposition einen Beitrag von Objekten erhält. Dies
ist jedoch, wie aus 3 zu entnehmen, nicht der Fall
d.h. alle in der 3 dargestellten Schichten tragen
zu der Abschwächung
der Strahlung von den Quellenpo sitionen 58, 60 in
dem Schnittgebiet 68, nicht jedoch in dem Gebiet 70 bei,
wo lediglich Strahlung von der Quellenposition 60 von den
in den Schichten sichtbaren Merkmalen abgeschwächt wird. Aus 3 ist
auch zu entnehmen, dass die Oberflächenbereiche oder Anteile jeder
Projektion, in denen die Strahlung schneidet (durchgeht) und nicht schneidet,
nicht gleich sind. Das heißt,
jede Schicht hat unterschiedliche Gebiete schneidender und nichtschneidender
Bestrahlung. Außerdem
ist zu bemerken, dass in der Praxis noch vielmehr solche Projektionen
in der Regel erzeugt werden, was viele solche Gebiete schneidender
und nicht schneidender Strahlung ergibt.
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Die
vorliegende Technik berücksichtigt
dieses Schneiden und Nichtschneiden der Strahlung dadurch, dass
sie für
jede Schicht eine Count-Map (Zahlenplan) erzeugt. Die Count-Map
ist in der Regel eine Draufsicht auf Pixel-für-Pixel-Basis bei der jedem
Pixel ein Wert zugeordnet ist, der der Anzahl von Malen entspricht,
die es von Strahlung von den verschiedenen Projektionen (d.h. Quellenorten)
durchdrungen worden ist. Die Count-Maps geben dann die Zahl von
Rückprojektionswegen
der Strahlung durch jedes Pixel auf jedem Schicht-Niveau wieder. 4 veranschaulicht
eine exemplarische Slice-Map für eine
höher liegende
Schicht. Die Slice-Map 72 beinhaltet allgemein Umgrenzungen 74,
die dadurch definiert sind, dass die Zahl der Male wie oft jedes
einzelne Pixel von Strahlung in den verschiedenen Projektionen durchdrungen
wurde gezählt
oder berechnet wurde. Die Umgrenzungen definieren dann Gebiete 76,
in denen Pixel den gleichen Zählwert
haben. Diese Werte werden dann auf Pixel-für Pixel-Basis verschiedenen Pixeln des allgemein
mit dem Bezugszeichen 78 bezeichneten Schichtbilds zugeordnet.
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Mehrere
Aspekte der Count-Maps sind es wert beachtet zu werden. Zunächst wird
allgemein angenommen, dass, im Ver gleich zu Gebieten, die näher an dem
Detektorrand liegen, in zentralen Gebieten höhere Zählwerte vorhanden sind, was
von dem Umstand herrührt,
dass außenliegende
Quellenpositionen im Allgemeinen noch den Zentralbereich jede Schicht
durchdringen. In ähnlicher
Weise wird angenommen, dass tiefer liegende Schichten größere Gebiete
höherer
Zählwerte
haben als obere Schichten und zwar wegen der Projektionswinkel und des
Umstandes, dass die Projektionen allgemein auf den Teil der Bildgebungsebene
gerichtet sind, in dem der Detektor angeordnet ist. Wie aber dem
Fachmann bekannt, gilt dies lediglich für stationär Detektoren; um die gesamte „niedrige" Zählwertfläche oder das
entsprechende Volumen zu minimieren, könnte sich der Detektor so bewegen,
dass die Mittel-Schicht den größten Bereich
mit hohen Zählwerten
aufweist. Außerdem
können
die speziellen Konturen und Lagen der Umgrenzungen 74 und
der Gebiete 76, abhängig
von der Anordnung der Quellenpositionen, beträchtlich variieren, was zu unterschiedlichen
Projektionen Anlass gibt.
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Mit
der vorliegenden Technik wird die Count-Map 72 für jede Schicht
dazu verwendet, den Beitrag von Pixeln zu jeder der erfassten Röntgenstrahlabschwächungen
zu gewichten. Das heißt,
von Bereichen der count-Map, die den höchsten Wert haben, wird angenommen,
dass sie voll zu der Röntgenstrahlabschwächung beigetragen
haben, während
angenommen wird, dass Zählwerte,
die niedriger sind, einen geringeren Beitrag geleistet haben und
deshalb bei der Rekonstruktion mit einem geringerem Wert gewichtet
werden. Diese auf der Count-Map beruhende Gewichtung kann linear
sein, d.h. sie kann sich proportional mit der Zählzahl ändern oder aber sie kann auch
nicht linear sein.
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Eine
weitere ungleichmäßige Gewichtung
ist bei der vorliegenden Technik dazu vorgesehen, eine falsche Annahme
bei der gebräuchlichen
Rückprojektion
zu berücksichtigen, die
zu einem Beitrag von vollständig
außerhalb
des Subjekts liegenden Gebieten zu der erfassten Röntgenstrahlabschwächung führt. 5 gibt
allgemein eine Schicht-Gewichtungstechnik wieder, die bei der vorliegenden
Verarbeitung implementiert ist. Wie in 5 dargestellt,
ist das Subjekt 18 unmittelbar anschließend an den Detektor 22 positioniert,
und Schichten 66 werden mittels Rückprojektion berechnet. Wie
für den
Fachmann erkennbar, können übliche Techniken
zu Geisterbildern führen,
die für
Gebiete berechnet sind, welche weit außerhalb (d.h. z.B. links) des
Subjekts liegen. Die vorliegende Technik verwendet eine Schicht-Gewichtung,
bei der ungleichmäßige Gewichtungsfaktoren
berechnet werden, insbesondere außerhalb der erwarteten oder
tatsächlichen
Begrenzungen des Subjekts. Bei der Darstellung nach 5 ist
die Höhe
der Bildgebungsebene anschließend
an den Detektor 22 längs
einer Achse 80 angegeben, und der Wert eines Gewichtungsfaktors
ist längs
einer vertikalen Achse 82 dargestellt. Die Gewichtungsfunktion
ist durch eine Kurve 84 wiedergegeben, die sich mit der
Höhe oberhalb
des Detektors ändert.
Bei der dargestellten Ausführungsform
ist ein oberes Rampengewichtungsgebiet 86 definiert, das Gewichtungswerte
bis zu einem Nullwert hinunter in einem gewünschten Abstand von den oberen
Begrenzungen des Subjekts liefert. Ein ähnliches, unteres Rampengewichtungsgebiet 88 ist
nahe der unteren Begrenzung des Subjekts hervorgesehen. Ein mittlerer
Gewichtungsabschnitt 90, der interessierende Schichten
beinhaltet, hat einen gleichmäßigen oder
im Wesentlichen gleichmäßigen Einheitswert. Es
wird erwartet, dass eine bestimmte Optimierung der nicht gleichmäßigen Schicht-Gewichtungswerte bestimmt
werden kann und dass im Zusammenhang mit der medizinischen Bildgebung
der Abfall von einem Einheitswert zu einem Nullwert bei oder gerade unterhalb
oder gerade oberhalb der Hautlinie des Subjekts beginnen kann. Wie
oben diskutiert, kann eine solche ungleichmäßige View-Gewichtung mit oder
getrennt von der oben beschriebenen Count-Map-Gewichtung eingesetzt
werden.
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Ein
weiteres Problem bei einer gebräuchlichen
Tomosynthese-Rückprojektion
betrifft die unterschiedliche Systemleistungsfähigkeit bei verschiedenen Projektionen. 6 veranschaulicht
schematisch diesen Punkt. Wie in 6 dargestellt,
kann an zwei verschiedenen Quellenorten zufolge zweier verschiedener
Projektionen ein Objekt 92 wesentlich unterschiedlich erscheinen.
Bei dem Beispiel nach 6 kann bspw. ein kugelförmiges Objekt 92 in
einer im wesentlichen zentralen Projektion 94 als im Wesentlichen
kreisförmig
erscheinen, wie dies mit dem Bezugszeichen 95 angedeutet
ist. Wenn die Quelle zu anderen Positionen hin bewegt wird, um andere
Projektionen zu erzeugen, etwa die Projektion 98 in 6,
kann das gleiche Objekt deformiert oder verzerrt erscheinen, wie
ein etwa ein kugelförmiges
Objekt als eine im Wesentlichen elliptische Gestalt 100 in
einer in 6 dargestellten Umrissprojektion
projiziert wird. Allgemein können
solche Verzerrungen durch einen weiten Bereich von Faktoren hervorgerufen
werden. Diese Faktoren können
eine Funktion der Quellenposition, der Detektorleistungsfähigkeit
insbesondere in der Nähe
der Ränder
des Detektors, der Geometrie des Systems, des von den Röntgenstrahlen
bei den verschiedenen Projektionen durchmessenen Abstands, der Strahlstreuung,
der Strahlaufhärtung,
usw. sein. Gebräuchliche
Rückprojektionstechniken
berücksichtigen
aber solche Systemvariationen nicht. Bei gebräuchlichen Techniken werden
alle Projektionen als gleichwertig für alle Pixelorte betrachtet,
wenn sie zur Berechnung der ordnungsgemäßen Pixelwerte in den verschiedenen
rekonstruierten Schichten herangezogen werden. Zu bemerken ist,
dass die Projektionsgewichtung auch zum Managen von Artefakten verwendet
werden kann. So könnte
z.B. eine anfängliche
Segmentierung des abgebildeten Objekts vorgenommen werden (z.B.
in die Brustwand und Lungengewebe), wobei die sich ergebenden Gebiete
unterschiedliche Gewichtungen erhalten (z.B. interessierende Gebiete,
wie Lungengewebe erhalten höhere
Gewichtungen). Dies könnte
in medizinischen Bildern Artefakte an der Hautlinie verringern.
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Bei
der vorliegenden Technik werden auf der anderen Seite individuelle
Projektionsgewichtungsmaps für
jede der Projektionen hergestellt, die zur Erzeugung der rekonstruierten
Schicht-Bilder verwendet werden. Die Projektions-Maps können als
Kalibrierungsschritt erzeugt und für ihre spätere Verwendung bei der Rekonstruktion
der Schicht-Bilder gespeichert werden. Im Allgemeinen wird in Betracht gezogen,
solche Projektions-Maps für
jede bei der Rekonstruktionstechnik genutzte Projektion zu erzeugen,
wie dies allgemein mit dem Bezugszeichen 102 in 6 angedeutet
ist.
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Die
hier beschriebenen, verschiedenen, ungleichmäßigen Gewichtungsansätze können zusammen
oder getrennt voneinander benutzt werden. Im Allgemeinen verändert die
sich ergebende Gewichtung den berechneten Beitrag der verschiedenen Schicht-Merkmale,
Schichten und Projektionen zu den berechneten Pixelwerten bei jedem
rückprojizierten
Schicht-Bild. Die allgemeine Beziehung zwischen den im Vorstehenden
erörterten
ungleichmäßigen Gewichtungsfaktoren
kann durch die Gleichung wiedergegeben werden: Ii = WS[IiWpi/Wci]: Darin
ist Ii der Wert jedes einzelnen Pixels in
dem rekonstruierten Schicht-Bild, WS ist
der Schicht Gewichtungsfaktor für
jede individuelle Schicht, Wpi ist der Projektions-Map
Gewichtungsfaktor für
jedes individuelle Pixel in jeder Projektion und Wci ist
der Count-Map Gewichtungsfaktor für jedes Pixel in jeder individuellen
Schicht. Zu beachten ist, dass (IiWpi) alle Beiträge von verschiedenen Projektionen
aufsummiert hat und im Wesentlichen normalisiert ist. Die Verwendung
der Count-Map ergibt in der Regel ein ungleichmäßiges Aussehen der sich ergebenden
Bilder, das während
der Rückprojektion
kompensiert werden muss. Die Verwendung der Schicht-Gewichtung erzeugt
wegen der beschränkten
Projektionswinkel out-of-plane Artefakte, die in Gebieten nahe oder
jenseits der Begrenzungen des interessierenden Subjekts unterdrückt werden
müssen.
Schließlich
ruft die Benutzung einer Projektionsgewichtung Ungleichmäßigkeiten
in der Tomographie-System-Antwort hervor.
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Das
Konzept der Rückprojektionsrekonstruktion
mit View-Gewichtung
gemäß den vorliegenden Techniken
kann so betrachtet werden als wenn es aus mehreren Schritten besteht.
Zuerst werden mehrere digitale Tomosynthese-Projektionen akquiriert und
gespeichert, auf diese Projektionen wird dann zur Verarbeitung zugegriffen.
Ein-, zwei- oder dreidimensionale View-Richtungsfunktionen (Masken
oder Maps) für
Projektion, Schicht und interessierende Volumen werden sodann berechnet.
Die View-Gewichtungsfunktionen bestehen in der Regel aus räumlich sich ändernden
Werten oder Gewichten. Im vorliegenden Zusammenhang angegebene Beispiele
beinhalten eine Count-Map, bei der Eintragungen in die Map die Zahl
der Male wiedergeben, zu denen Rückprojektionsstrahlen
Pixel auf verschiedenen Schicht-Höhen schneiden. Funktionen,
wie Boxfunktionen, Rampenfunktionen oder Glättungsfunktionen werden für Beiträge verschiedener
Schichten zu der Röntgenstrahlabschwächung angewandt.
Schließlich
wird die Gesamtsystemantwort durch Erstellung von Projektions-Maps
die zur Gewichtung bei dem Rekonstruktionsvorgang verwendet werden,
angepasst.
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Wenngleich
die Erfindung vieler Abwandlungen und alternativer Formen fähig ist,
wurden spezielle Ausführungsformen beispielhaft
in der Zeichnung dargestellt und im Einzelnen hier beschrieben. Es
versteht sich aber, dass die Erfindung nicht auf die speziellen
geoffenbarten Formen beschränkt
ist. Die Erfindung beinhaltet vielmehr alle Abwandlungen, Äquivalente,
Alternativen, die im Schutzbereiche der nachfolgenden Patentansprüche liegen.
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- 10
- Tomosynthese-System
- 12
- Röntgenstrahlquelle
- 14
- Strahlungsstrahl
- 16
- Kollimator
- 18
- Subjekt
- 20
- Strahlungsstrahl
- 22
- Detektor
- 24
- Systemsteuereinrichtung
- 26
- Röntgenstrahlsteuereinrichtung
- 28
- Motorsteuereinrichtung
- 30
- Datenakquisitionssystem
- 32
- Positionsuntersystem
- 34
- Computer
- 36
- Speicher
- 38
- Bedienerarbeitsstation
- 40
- Display
- 42
- Drucker
- 44
- PACS
- 46
- Entfernter
Klient
- 50
- Bildgebungsscanner
- 52
- Quellenposition
- 54
- Quellenebene
- 56
- Projektionskonfiguration
- 58
- Quellenposition
1
- 60
- Quellenposition
2
- 62
- Fächerstrahl
- 64
- Bildgebungsebene
- 66
- Schichten
(Slices)
- 68
- Schnittgebiet
- 70
- Nichtschnittgebiet
- 72
- Count-Map
- 74
- Begrenzungen
- 76
- Gewichtungsgebiete
- 78
- Pixel
- 80
- Höhenachse
- 82
- Gewicht
- 84
- Funktionskurve
- 86
- Obere
Rampengewichtung
- 88
- Untere
Rampengewichtung
- 90
- zentrale
Gewichtung
- 92
- Objekt
- 94
- Projektion
1
- 96
- Objektprojektion
1
- 98
- Projektion
2
- 100
- Objektprojektion
2
- 102
- Projektions-Maps