DE102008046373A1

DE102008046373A1 - Image reproduction method for computed tomography, involves reconstructing image of examination object, and evaluating individual projections or areas of individual projections with respect to suitability of individual projections

Info

Publication number: DE102008046373A1
Application number: DE102008046373A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Kowarschik; Holger Scherl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-09-09
Filing date: 2008-09-09
Publication date: 2010-03-18

Abstract

The method involves reconstructing an image of an examination object i.e. patient, from a set of projections (1a-1c, 2a-2c). The individual projections or areas of the individual projections are evaluated with respect to suitability of the individual projections, such that the individual projections or areas of the individual projections having no usable information are not considered for image reconstruction. The individual projections or areas of the individual projections having no usable information are segmented to generate initial reconstruction solution.

Description

In der Computertomographie (CT) ist eine zentrale Aufgabenstellung die sogenannte Bildrekonstruktion. Darunter versteht der Fachmann die Berechnung einer bildhaften, zwei- oder dreidimensionalen Darstellung (Repräsentation) eines von Röntgenstrahlen durchstrahlten Untersuchungsobjektes aus heute meist zweidimensionalen digitalen Röntgenbildern, den sogenannten Projektionen, die während der Untersuchung des Objektes akquiriert werden.In Computed tomography (CT) is a central task the so-called image reconstruction. This is understood by the expert the calculation of a pictorial, two- or three-dimensional representation (Representation) of one of X-rays irradiated Object of investigation from today mostly two-dimensional digital X-ray images, the so-called projections, during the investigation of the object to be acquired.

Die einzelnen Bildpunkte der hierbei erzeugten (rekonstruierten) Bilder entsprechen dabei den aus den Projektionen rekonstruierten Schwächungskoeffizienten des von dem jeweiligen Bildpunkt dargestellten Volumenelementes („Voxels”) des von den Röntgenstrahlen durchstrahlten Untersuchungsobjektes. Dieser Schwächungskoeffizient setzt sich additiv aus dem Absorptionskoeffizienten und dem Streukoeffizienten zusammen. Dieser Zusammenhang entspricht der physikalischen Tatsache, dass die Schwächung der Intensität eines Röntgenstrahls beim Durchgang durch ein Volumenelement nur durch Streuung oder Absorption verursacht sein kann.The individual pixels of the generated (reconstructed) images correspond to the attenuation coefficients reconstructed from the projections of the volume element represented by the respective pixel ("Voxels") of the X-rays irradiated examination object. This attenuation coefficient is additive to the absorption coefficient and the scattering coefficient together. This relationship corresponds to the physical fact that the attenuation of the intensity of an X-ray beam during Passage through a volume element only by scattering or absorption can be caused.

Der algorithmische Prozess der Berechnung solch einer Repräsentation, die auch als „Volumendatensatz” bezeichnet wird, wird allgemein als Bildrekonstruktion bezeichnet. Zur Lösung dieser Aufgabe sind dem Fachmann viele unterschiedliche Verfahren bekannt, deren Darstellung den Rahmen dieser Beschreibung sprengen würde, weshalb auf die umfangreiche einschlägige, dem Fachmann gut bekannte Literatur verwiesen wird.Of the algorithmic process of calculating such a representation, also known as the "volume data set", is commonly referred to as image reconstruction. To the solution This task is known to the skilled person many different methods, whose presentation would go beyond the scope of this description, why the extensive relevant, the expert well-known literature is referenced.

1 zeigt in schematischer Weise den prinzipiellen Aufbau einer Anordnung zur Computertomographie in einer Querschnittdarstellung am Beispiel einer heute häufig verwendeten sogenannten „Kegelstrahlgeometrie”. Bei dieser Anordnung sind die Projektionsbilder zweidimensional, und der Verlauf der Rönt genstrahlen von der Röntgenquelle (1, 11) zum Detektor (3, 13) erfolgt kegelförmig (2, 12). Die Röntgenquelle (1, 11) wird dabei auf einer Kreis- oder Spiralbahn um das Untersuchungsobjekt (4) herum bewegt und nimmt dabei nacheinander verschiedene Positionen ein, von denen in 1 nur zwei (1, 11) beispielhaft gezeigt sind. Für jede Position auf der Bahn, für welche ein digitales Projektionsbild gespeichert wird, entsteht so ein dieser Position entsprechendes Projektionsbild, also ein zweidimensionales Feld von Sensordaten, welches einem Auswertungsrechner (5) zugeführt wird. Dieser Auswertungsrechner, ein „Computer”, der den Namen des ganzen Verfahrens also wesentlich bestimmt, dient zur Bildrekonstruktion. Er ist dazu normalerweise mit einer Anzeigeeinheit (6) zur Anzeige der errechneten Bilder verbunden und häufig noch mit einer Speichereinheit (7), in der beispielsweise sogenannte Filter, also Hilfsgrößen für die Berechnung und ähnliche Größen, gespeichert sein können. 1 shows in a schematic way the basic structure of an arrangement for computed tomography in a cross-sectional view using the example of a so-called "cone beam geometry" commonly used today. In this arrangement, the projection images are two-dimensional, and the course of the Rönt genstrahlen from the X-ray source ( 1 . 11 ) to the detector ( 3 . 13 ) is cone-shaped ( 2 . 12 ). The X-ray source ( 1 . 11 ) is placed on a circular or spiral path around the examination object ( 4 ) moves around, occupying successively different positions, of which in 1 only two ( 1 . 11 ) are shown by way of example. For each position on the track for which a digital projection image is stored, a projection image corresponding to this position, that is to say a two-dimensional field of sensor data, which results in an evaluation computer ( 5 ) is supplied. This evaluation computer, a "computer" that essentially determines the name of the entire process, is used for image reconstruction. It is usually equipped with a display unit ( 6 ) to display the calculated images and often with a memory unit ( 7 ), in which, for example, so-called filters, ie auxiliary quantities for the calculation and similar quantities, can be stored.

Enthält ein zu untersuchendes Objekt nun Strukturen, die durch eine hohe oder sehr hohe Absorption von Röntgenstrahlen charakterisiert sind, dann findet innerhalb dieser Strukturen häufig eine sehr starke „Aufhärtung” (d. h. eine Absorption „weicher” Röntgenstrahlung) oder gar eine vollständige Absorption der Röntgenstrahlung statt. Wichtige Beispiele für solche Situationen sind massive Knochenstrukturen oder Metallobjekte im Körper eines Patienten, beispielsweise Metallprothesen im Bereich der Hüfte, des Knies oder des Mundraumes. Bei Metallen kommt zur Absorption noch ganz wesentlich die Reflexion (Streuung) der Röntgenstrahlung hinzu. Diese Phänomene führen dann im rekonstruierten Bild zu Artefakten, im Fall von Metallobjekten zu sogenannten „Metallartefakten”, im Fall von Knochen zu sogenannten „Aufhärtungsartefakten”, die eine medizinische Auswertung des rekonstruierten Bildes sehr erschweren oder gar vollständig unmöglich machen können.contains an object to be examined now has structures that are characterized by a high or very high absorption of X-rays are, then often found within these structures a very strong "hardening" (i.e., absorption of "soft" X-radiation) or even a complete absorption of the X-radiation instead of. Important examples of such situations are massive Bone structures or metal objects in the body of a patient, For example, metal prostheses in the hip, the Knees or the oral cavity. With metals comes to the absorption still essentially the reflection (scattering) of the X-rays added. These phenomena then result in the reconstructed Picture to artifacts, in the case of metal objects to so-called "metal artefacts", in the case of bones, to so-called "hardening artifacts", the one medical evaluation of the reconstructed image very much make it difficult or even completely impossible.

Aufhärtungsartefakte sucht man derzeit beispielsweise durch Filterung der weichen Röntgenstrahlung in der Nähe der Quelle, also vor dem Eintritt der Strahlung in das Untersuchungsobjekt, beispielsweise mit dünnen Folien aus Aluminium oder Kupfer, zu reduzieren. Eine andere Methode besteht darin, mehrere Aufnahmen mit unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen anzufertigen und so die energieabhängige Absorption der Gewebestrukturen zu messen und rechnerisch auszuwerten. Beide Ansätze sind mit nicht vernachlässigbaren Erhöhungen der Strahlendosis verbunden, der das Untersuchungsobjekt auszusetzen ist und daher bei medizinischen Anwendungen mit Nachteilen verbunden.hardening artefacts For example, one currently seeks by filtering soft X-rays near the source, ie before the radiation into the examination object, for example with thin foils made of aluminum or copper. Another method exists in it, several shots with different acceleration voltages to make the energy - dependent absorption of the Tissue structures to be measured and evaluated mathematically. Both approaches are with not insignificant increases in radiation dose connected to the object to be exposed and therefore associated with medical applications with disadvantages.

Zur Korrektur von Metallartefakten sind auch Verfahren üblich, bei denen eine Bildrekonstruktion zunächst ohne Korrektur durchgeführt wird, woraufhin die Metallobjekte im derart rekonstruierten Bild (manuell, automatisch oder halbautomatisch) identifiziert und segmentiert werden. Daraufhin werden mit Hilfe dieser so identifizierten Metallsegmente (durch sogenannte „Vorwärtsprojektion”) diejenigen Datenbereiche in den Projektionsbildern ermittelt, welche die segmentierten Metallstrukturen repräsentieren. Diese Datenbereiche werden daraufhin durch interpolierte Daten aus benachbarten Projektionsbereichen ersetzt.to Correction of metal artefacts is also common practice where an image reconstruction initially without correction is performed, whereupon the metal objects in such a way reconstructed image (manual, automatic or semi-automatic) be identified and segmented. Thereupon with help of these so-identified metal segments (by so-called "forward projection") those data areas in the projection images determined which the represent segmented metal structures. These data areas are then interpolated data from adjacent projection areas replaced.

Eine andere Familie von Ansätzen zur Korrektur von Metallartefakten in rekonstruierten CT-Bildern basiert auf einer iterativen statistischen Herangehensweise. Auch im Falle dieses Ansatzes erfolgt eine Ersetzung nicht verlässlicher Daten in den Projektionsbildern durch Daten, welche durch eine simulierte (rechnerische) Vorwärtsprojektion einer bereits vorliegenden (dreidimensionalen) approximativen Darstellung des zu untersuchenden Objekts gewonnen werden. Durch eine iterative Vorgehensweise errechnet man Schritt für Schritt verbesserte („selbstkonsistente”) dreidimensionale Repräsentationen des zu untersuchenden Objekts.Another family of approaches to correcting metal artifacts in reconstructed CT images is based on an iterative statistical approach. Also in the case of this approach, a replacement of unreliable data in the pro jektionsbildern by data, which are obtained by a simulated (computational) forward projection of an already existing (three-dimensional) approximate representation of the object to be examined. An iterative procedure is used to calculate step by step improved ("self-consistent") three-dimensional representations of the object to be examined.

Solche Vorgehensweisen sind häufig sehr heuristisch, physikalisch nicht immer gut begründet und zudem sehr aufwendig. Sie liefern daher regelmäßig nur unzureichende oder unzuverlässige „Verbesserungen” der rekonstruierten Bilder.Such Procedures are often very heuristic, physical not always well founded and also very expensive. she therefore provide only inadequate or regular unreliable "improvements" of the reconstructed Images.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Lösung der hiermit verbundenen Probleme beizutragen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Of the present invention is based on the object to the solution to contribute to the problems involved. This task will solved by a method according to claim 1. advantageous Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und mit Hilfe von Figuren näher beschrieben.in the The invention is based on preferred embodiments and described in more detail by means of figures.

1 zeigt in schematischer Weise den prinzipiellen Aufbau einer Anordnung zur Computertomographie in einer Querschnittdarstellung am Beispiel einer heute häufig verwendeten sogenannten „Kegelstrahlgeometrie”. 1 shows in a schematic way the basic structure of an arrangement for computed tomography in a cross-sectional view using the example of a so-called "cone beam geometry" commonly used today.

2 zeigt in schematischer Weise die Situation bei der Untersuchung eines Untersuchungsobjektes mit einem Metallobjekt im Inneren des Untersuchungsobjektes. 2 shows schematically the situation in the investigation of an object to be examined with a metal object inside the object to be examined.

3 zeigt in schematischer Weise eine zweidimensionale Ansicht der Unterteilung eines Untersuchungsobjektes in Volumenelemente mit unterschiedlichen Schwächungskoeffizienten. 3 schematically shows a two-dimensional view of the subdivision of an examination object into volume elements with different attenuation coefficients.

4 zeigt in schematischer Weise den Beitrag eines Volumenelementes zur Schwächung der Intensität eines Röntgenstrahls bei seinem Durchgang durch das Untersuchungsobjekt. 4 shows schematically the contribution of a volume element to attenuate the intensity of an X-ray beam as it passes through the examination subject.

Der hier erfindungsgemäß vorgeschlagene Ansatz adressiert das Problem mangelhafter Bildqualität infolge von Metallartefakten, indem nur diejenigen Daten aus den akquirierten Projektionen verwendet werden, die verlässliche Informationen darstellen. Diejenigen Bereiche der Projektionen hingegen, die infolge zu starker Aufhärtung oder Absorption durch Metallstrukturen innerhalb des Objekts keine sinnvoll verwertbare Information tragen, werden von vornherein verworfen, also während der Bildrekonstruktion gar nicht verwendet. Diese Vorgehensweise wird durch die Verwendung eines algebraischen Rekonstruktionsansatzes ermöglicht, welcher keine reguläre Abtastung des Objekts durch Röntgenstrahlung erfordert.Of the addressed approach proposed here according to the invention the problem of poor image quality due to metal artifacts, by using only those data from the acquired projections become reliable information. Those Areas of projections, however, due to excessive hardening or absorption by metal structures within the object no meaningfully usable information, are rejected from the outset, so not used during the image reconstruction. This approach is supported by the use of an algebraic Reconstruction approach allows which is not a regular one Scanning of the object by X-rays requires.

Die 2 soll die Situation anhand eines Querschnittes durch ein Untersuchungsobjekt verdeutlichen. Im Untersuchungsobjekt befinde sich ein Metallobjekt (MK), hier dargestellt durch einen weißen Kreis. Die Strahlenbündel X11 und X22 treffen beim Durchgang durch das Untersuchungsobjekt auf dieses Metallobjekt und werden durch starke Absorption und Streuung so sehr geschwächt, dass die verbleibende Strahlintensität für die Untersuchung der im „Schatten” des Metallobjekts liegenden Voxel v1 bzw v2 nicht mehr ausreicht. Die Datenbereiche 211 bzw 222 der – hier vereinfacht als raumfest dargestellten, in der Praxis jedoch mit der Strahlenquelle rotierenden – Detektorflächen 22 bzw 21 enthalten folglich nicht verlässliche Daten, die im Sinne der Erfindung zu verwerfen sind.The 2 should clarify the situation by means of a cross-section through an examination object. The object under investigation contains a metal object (MK), represented here by a white circle. The beams X11 and X22 hit this metal object as they pass through the object under investigation and are so much weakened by strong absorption and scattering that the remaining beam intensity is no longer sufficient for examining the voxels v1 and v2 lying in the "shadow" of the metal object. The data areas 211 respectively 222 the - simplified here as spatially fixed, in practice, however, with the radiation source rotating - detector surfaces 22 respectively 21 Consequently, they contain unreliable data which are to be rejected in the context of the invention.

Die nach einer Verschiebung der Strahlenquelle erzeugten Strahlen X1a, X1b, X1c bzw. X2a, X2b und X2c durchlaufen die Voxel v1 bzw v2 jedoch ohne zuvor durch das Metallobjekt gestört worden zu sein. Aus der Vielzahl der durch diese Strahlen erzeugten Projektionen 1a, 1b, 1c bzw. 2a, 2b und 2c können die Voxel v1 bzw v2 jedoch problemlos rekonstruiert werden, weil die Projektionen 1a, 1b, 1c bzw. 2a, 2b und 2c aufgrund ihrer großen Zahl immer noch genügend Information über die Schwächungskoeffizienten dieser Voxel enthalten. Dies gilt zumindest, solange das Metallobjekt nicht zu groß im Vergleich zur Detektorfläche oder zum durchstrahlten Objekt ist.However, the beams X1a, X1b, X1c or X2a, X2b and X2c generated after a displacement of the radiation source pass through the voxels v1 and v2, respectively, without being disturbed by the metal object. From the multitude of projections produced by these rays 1a . 1b . 1c respectively. 2a . 2 B and 2c However, the voxels v1 and v2 can be easily reconstructed because the projections 1a . 1b . 1c respectively. 2a . 2 B and 2c due to their large number still contain enough information about the attenuation coefficients of these voxels. This is true at least as long as the metal object is not too large compared to the detector surface or the irradiated object.

Das erfindungsgemäße Verwerfen (also: Nicht-Berücksichtigen) der nicht verlässlichen Daten 211 bzw 222 bei der Bildrekonstruktion führt zu einer Verbesserung der Bildrekonstruktion, d. h. zu einer deutlichen Reduktion von Artefakten, weil das Gleichungssystem W·f = p (siehe unten), das die Grundlage eines jeden algebraischen Rekonstruktionsansatzes ist, durch diese Maßnahme der Erfindung gerade um diejenigen Gleichungen bereinigt wird, die Fehlinformationen enthalten, und welche andernfalls die Lösung nur (eben durch die Artefakte) verschlechtern würden.The discarding according to the invention (ie: disregarding) the non-reliable data 211 respectively 222 Image reconstruction leads to an improvement of the image reconstruction, ie to a clear reduction of artifacts, because the system of equations W · f = p (see below), which is the basis of any algebraic reconstruction approach, just corrects for those equations by this measure of the invention which would contain misinformation, and which otherwise would only worsen the solution (just by the artifacts).

Zum Einsatz können hier beispielsweise iterative Verfahren kommen wie ART (Algebraic Reconstruction Technique) oder SART (Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique), die dem Fachmann aus der einschlägigen Literatur gut bekannt sind. Entscheidend ist hierbei die algebraische Herangehensweise als solche, nicht aber die Auswahl eines ganz konkreten algebraischen Verfahrens.To the Here, for example, iterative methods can be used such as ART (Algebraic Reconstruction Technique) or SART (Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique), the expert from the relevant Literature are well known. Decisive here is the algebraic Approach as such, but not the selection of a very specific algebraic method.

Die vorliegende Erfindung macht keinerlei Annahmen über die zur Aufnahme verwendete Strahlgeometrie oder die Art der Bewegung der Strahlungsquelle und ist daher ganz unabhängig von diesen Annahmen in jedem Fall anwendbar, gleichgültig, ob zur Akquisition der Projektionsbilder nun eine Kegelstrahlgeometrie, eine Fächerstrahlgeometrie, eine Parallelstrahlgeometrie, ein planares oder gebogenes Detektorarray oder eine andere Strahlgeometrie oder Detektoranordnung verwendet wird, oder ob die Strahlungsquelle auf einer Kreisbahn, einer Spiralbahn oder auf einer anderen Bahn bewegt wird.The present invention makes no assumptions about the beam geometry used for recording or the type of movement of the Irradiation source and is therefore completely independent of these assumptions applicable in any case, regardless of whether for the acquisition of the projection images now a cone beam geometry, a fan beam geometry, a parallel beam geometry, a planar or curved detector array or other beam geometry or detector arrangement is used, or if the radiation source on a circular path, a spiral path or on another track is moved.

Die Selektion der verlässlichen Daten in den Projektionsbildern setzt einen Segmentierungsschritt voraus, der als Vorverarbeitungsschritt – also vor dem eigentlichen Rekonstruktionsschritt – durchgeführt werden muss. Eine erste Möglichkeit ist eine direkte Segmentierung. Bei dieser direkten Segmentierung werden Bereiche in den Projektionsdatensätzen als nicht verlässlich klassifiziert. Die als nicht verlässlich zu klassifizierenden Bereiche von Projektionsdaten hängen dabei nicht nur von der Form des die Artefakte verursachenden Metallobjekts ab, sondern auch von gewissen technischen Parametern, insbesondere von der Beschleunigungsspannung in der Röntgenröhre und damit von der Energie der Röntgenquanten.The Selection of reliable data in the projection images requires a segmentation step, as a preprocessing step - ie before the actual reconstruction step - performed must become. A first possibility is a direct segmentation. In this direct segmentation, areas in the projection data sets become not reliably classified. The as not reliable Hang areas of projection data to be classified not only the shape of the metal object causing the artifacts but also of certain technical parameters, in particular from the acceleration voltage in the X-ray tube and thus the energy of the X-ray quanta.

Alternativ zur dieser direkten Segmentierung der Metallregionen in den akquirierten Projektionsbildern kann auch zunächst eine initiale Rekonstruktionslösung ermittelt werden. Mit ihrer Hilfe können dann die Metallregionen im – beispielsweise dreidimensionalen – Volumendatensatz approximativ segmentiert werden. Schließlich können die zugehörigen Berei che nicht verlässlicher Daten in den Projektionsbildern durch eine simulierte Vorwärtsprojektion bestimmt werden.alternative for this direct segmentation of the metal regions in the acquired Projection images can also initially an initial reconstruction solution be determined. With their help, then the metal regions in - for example, three-dimensional - volumetric data be segmented approximately. Finally, you can the related areas of unreliable data determined in the projection images by a simulated forward projection become.

In beiden Varianten der Erfindung werden aber nicht verlässliche Bereiche von Daten in den Projektionsbildern ermittelt, die dann für die eigentliche Bildrekonstruktion nicht herangezogen (d. h. verworfen) werden. Nur für diese eigentliche (nicht vorläufige) Bildrekonstruktion ist die Verwendung eines Rekonstruktionsverfahrens essentiell, welches nicht auf reguläre Strukturen von Projektionsdaten angewiesen ist, denn solche regulären Strukturen liegen ja gerade dann nicht vor, wenn man – erfindungsgemäß – einige (als nicht verlässlich klassifizierte) Daten nicht verwenden will. Algebraische Rekonstruktionsverfahren haben gerade diese hier geforderte Eigenschaft. Sollten künftige andere Rekonstruktionsverfahren entwickelt werden, die dieser Anforderung genügen, dann könnten auch sie für diesen Zweck eingesetzt werden.In However, both variants of the invention are not reliable Areas of data in the projection images are then determined not used for the actual image reconstruction (ie discarded). Only for this actual (not preliminary) image reconstruction is the use of a reconstruction method essential, which does not rely on regular structures of projection data is dependent, because such regular structures are yes just then not before, if - according to the invention - some Do not use data classified as not reliably classified want. Algebraic reconstruction methods have just these here required property. Should future other reconstruction methods then meet that requirement they too could be used for this purpose.

Bei der vorläufigen (initialen) Bildrekonstruktion zur Vorbereitung der Segmentierung nach einer Ausführungsform der Erfindung kann hingegen grundsätzlich jedes Rekonstruktionsverfahren eingesetzt werden, welches mit der bei der Aufnahme der Projektionsdaten verwendeten Strahlgeometrie, der Sensoranordnung und der Bewegung der Strahlungsquelle kompatibel ist.at preliminary (initial) image reconstruction for preparation the segmentation according to an embodiment of the invention On the other hand, basically any reconstruction method can be used be used, which with the recording of the projection data used beam geometry, the sensor arrangement and the movement the radiation source is compatible.

Die zum Einsatz geeigneten algebraischen Ansätze basieren grundsätzlich darauf, dass das Rekonstruktionsproblem als lineares Gleichungssystem W·f = p oder

formuliert werden kann. Die Systemmatrix W enthält hierbei die Gewichte, die spezifizieren, wie stark die jeweils zu rekonstruierenden Voxel – also die unbekannten Bildpunkte f im obigen Gleichungssystem – die jeweiligen Röntgenstrahlen durch Absorption beeinflussen. Ferner bezeichnet f den Vektor der unbekannten Schwächungskoeffizienten f(j), und der Vektor p mit den Einträgen p(i) bezeichnet die rechte Seite des linearen Gleichungssystems. Dies ist genau der Vektor, der die gemessenen und für die Berechnung tatsächlich verwendeten Daten aus den akquirierten Projektionsbildern enthält.The appropriate algebraic approaches are fundamentally based on the fact that the reconstruction problem is a linear system of equations W · f = p or

can be formulated. In this case, the system matrix W contains the weights which specify how strongly the respective voxels to be reconstructed-in other words the unknown pixels f in the above system of equations-influence the respective X-rays by absorption. Further, f denotes the vector of the unknown attenuation coefficients f (j), and the vector p with the entries p (i) denotes the right side of the linear system of equations. This is exactly the vector that contains the measured and actually used data from the acquired projection images.

Die hier zugrundeliegenden physikalischen Sachverhalte sollen insbesondere durch die 3 und 4 verdeutlicht werden. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein Untersuchungsobjekt, der in 9 Volumenelemente f(1), f(2), ..., f(9) aufgeteilt ist. In der Praxis ist die Aufteilung in Volumenelemente („Voxel”) viel feiner als in 3 und die Zahl der Voxel entsprechend größer. Sie bestimmt die Auflösung des rekonstruierten Bildes. Je feiner diese Aufteilung, d. h. je höher die Zahl der Komponenten des Vektors f, desto höher die Auflösung des Bildes und damit auch die Zahl der Unbekannten f(j) im Gleichungssystem W·f = p.The physical facts underlying this are intended in particular by the 3 and 4 be clarified. 3 shows a cross section through an examination subject, which is divided into 9 volume elements f (1), f (2), ..., f (9). In practice, the division into volume elements ("voxels") is much finer than in 3 and the number of voxels correspondingly larger. It determines the resolution of the reconstructed image. The finer this division, ie the higher the number of components of the vector f, the higher the resolution of the image and thus also the number of unknowns f (j) in the system of equations W · f = p.

Jede Gleichung (i) im System W·f = p entspricht einem für die Berechnung verwendeten Detektorkanal (i), also einem Röntgenstrahl durch das Objekt, dessen restliche, nach dem Strahldurchgang durch das Untersuchungsobjekt noch verbleibende Intensität dann am Detektor als Signal gemessen wird.each Equation (i) in the system W · f = p corresponds to one for the calculation used detector channel (i), ie an x-ray beam through the object, its remaining, after the beam passage through the subject then remaining intensity then measured at the detector as a signal.

Der Matrixeintrag W(i, j), also der Eintrag in der i-ten Zeile und in der j-ten Spalte, gibt an, mit welchem Gewicht das Voxel (der unbekannte Bildwert) j die Messgröße (den Röntgenstrahl) i beeinflusst. Diese Situation ist schematisch in 4 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit zeigt diese Abbildung lediglich ein zweidimensionales Objekt, aber im Dreidimensionalen ist die Situation ganz analog. Exemplarisch dargestellt ist ein Röntgenstrahl X(i), der das Objekt durchläuft und dabei abgeschwächt wird. Dieser dargestellte Strahl entspricht einer Gleichung im aufzustellenden System linearer Gleichungen. Das Gewicht mit dem ein Voxel V(j) einen bestimmten Strahl beeinflusst, kann etwa über die Weglänge bestimmt werden, die der Strahl in diesem Voxel zurücklegt. Die Systemmatrix ist also im Wesentlichen durch die verwendete Strahlgeometrie und das verwendete Bildraster bestimmt. Dies soll mittels des schraffierten Abschnitts des in 4 dargestellten Strahls angedeutet werden. Der Fachmann ist anhand der einschlägigen Literatur jederzeit in der Lage, die für seine Aufnahmesituation passende Systemmatrix zu bestimmen.The matrix entry W (i, j), ie the entry in the i-th row and in the j-th column, indicates with what weight the voxel (the unknown image value) j influences the measurand (the x-ray) i. This situation is schematic in 4 shown. For the sake of clarity, this figure shows only a two-dimensional object, but in three-dimensional the situation is quite analogous. Illustrated by way of example is an X-ray X (i), which passes through the object and is thereby attenuated. This illustrated ray corresponds to an equation in the system of linear equations to be set up. The weight with which a voxel V (j) influences a certain ray can be determined, for example, over the path length that the ray travels in this voxel. The system matrix is therefore essentially determined by the beam geometry used and the image grid used. This is meant by means of the hatched section of the in 4 be indicated beam. On the basis of the relevant literature, the person skilled in the art is in a position at all times to determine the system matrix suitable for his recording situation.

Infolge der enormen Größe der Systemmatrix W kommen in praktischen Anwendungsfällen vorzugsweise iterative Verfahren zur Lösung des linearen Gleichungssystems W·f = p zum Einsatz, welche sich im Allgemeinen auch robuster gegenüber numerischen Rundungsfehlern verhalten. Solch ein algebraischer Ansatz erfordert im Gegensatz zu den analytischen Rekonstruktionsansätzen keine Regelmäßigkeit hinsichtlich der Abtastgeometrie. Vielmehr ist nur dafür zu sorgen, dass eine hinreichend große Anzahl von Gleichungen zur Verfügung steht, um das Rekonstruktionsproblem lösen zu können. Infolge von Störeinflüssen (Rauschen, Streuung, etc.) wird obiger algebraischer Ansatz in praktischen Anwendungsfällen stets auf ein inkonsistentes System führen (d. h. der Vektor p der Projektionswerte gehört nicht der algebraischen Bildmenge der Matrix W an). Eine Lösung f existiert folglich im exakten Sinne nicht. Dafür lässt sich aber – beispielsweise im Sinne kleinster Fehlerquadrate – eine optimale Näherungslösung finden.As a result the enormous size of the system matrix W come in In practical applications, preferably iterative methods to solve the linear equation system W · f = p which are generally also more robust behavior of numerical rounding errors. Such an algebraic approach requires in contrast to the analytical reconstruction approaches no regularity with regard to the scanning geometry. Rather, it is only necessary to ensure that a sufficient large number of equations is available to solve the reconstruction problem. As a result of disturbing influences (noise, scattering, etc.) becomes the above algebraic approach in practical applications always lead to an inconsistent system (ie the vector p of the projection values does not belong to the algebraic image set the matrix W). A solution f therefore exists in the exact one Not meaning. But can be but - for example in the sense of least squares - an optimal approximate solution Find.

In der Literatur ist eine Vielzahl von numerisch mathematischen Verfahren zur näherungsweisen Lösung solcher Gleichungssysteme bekannt. Dazu gehören insbesondere die Lösung durch Singulärwertzerlegung, die iterative Rekonstruktion mit „ART” (Algebraic Reconstruction Technique), oder auch die verschiedenen Varianten der Maximum-Likelihood-Verfahren und damit verwandter statistischer Schätzverfahren. Grundsätzlich sind alle diese bekannten Verfahren zum Einsatz im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung geeignet. Die vorliegende Erfindung modifiziert den Einsatz dieser Verfahren „nur” insoweit (aber gleichwohl ganz entscheidend), als bestimmte Komponenten des Vektors p der Projektionen zur Be rechnung der Lösung nicht herangezogen werden, weil diese Komponenten zu den oben erwähnten nicht verlässlichen Bereichen der Projektionsbilder gehören.In Literature is a variety of numerical mathematical methods for the approximate solution of such equation systems known. These include in particular the solution by singular value decomposition, the iterative reconstruction with "ART" (Algebraic Reconstruction Technique), or the different variants of the maximum likelihood method and related statistical estimation methods. in principle All of these known methods are related to use suitable with the present invention. The present invention modifies the use of these methods "only" insofar (but nevertheless very decisive), as certain components of the Vector p of projections for calculation of a solution not be used, because these components to the above mentioned unreliable areas of the projection images belong.

Beispielhaft für eigentlich alle diese Verfahren soll hier iterative Rekonstruktion mit ART und ihre erfindungsgemäße Modifikation beschrieben werden. Bei diesem Verfahren wird der Lösungsvektor f iterativ als Element einer Folge {f⁰, f¹, f², ..., fⁿ⁾} ermittelt, die ausgehend von einer Startlösung („Initialbild”) f⁰ durch wiederholte Anwendung (Iteration) einer Iterationsvorschrift der Form fn = I[fn-1]sukzessive gebildet wird. Unter geeigneten, in der Praxis gut kontrollierbaren Bedingungen konvergiert diese Folge gegen die gesuchte Optimallösung f. Die Iteration wird abgebrochen, wenn der gewünschte oder erzielbare Grad an Genauigkeit erreicht ist.By way of example for all these methods, iterative reconstruction with ART and its modification according to the invention will be described here. In this method, the solution vector is iteratively determined as an element of a sequence {f ⁰ , f ¹ , f ² ,..., F ⁿ⁾ }, which starting from a starting solution ("initial image") f ⁰ by repeated application (iteration). an iteration rule of the form f n = I [f n-1 ] is formed successively. Under suitable conditions, which can be controlled well in practice, this sequence converges to the desired optimum solution f. The iteration is terminated when the desired or achievable degree of accuracy is achieved.

In einigen Varianten dieser Iteration wird die n-te Näherung fⁿ⁾ des gesuchten Bildvektors zur Berechnung einer Vorwärtsprojektion pⁿ = W·fⁿ verwendet, und die berechnete Projektion pⁿ wird daraufhin mit der gemessenen Projektion p verglichen. Aus diesem Vergleich werden dann die Korrekturterme der Iterationsvorschrift I[] bestimmt. Da der Vergleich auf unterschiedliche Weisen durchgeführt werden kann, gibt es eine Vielzahl solcher Iterationsverfahren. Der Vergleich stellt aber in jedem Fall die Konvergenz dieser Verfahren grundsätzlich sicher.In some variants of this iteration, the n-th approximation f ⁿ⁾ of the desired image vector for calculating a forward projection is p ⁿ = ⁿ f · W used, and the calculated projection p ⁿ is then compared with the measured projection p. The correction terms of the iteration rule I [] are then determined from this comparison. Since the comparison can be made in different ways, there are a variety of such iteration methods. In any case, the comparison ensures the convergence of these procedures.

Innerhalb dieser Gruppe von Verfahren lassen sich grundsätzlich drei Kategorien unterscheiden: Verfahren mit

– gleichzeitiger Korrektur aller Objektpixel
– pixelweiser Korrektur
– strahlweiser Korrektur.

Within this group of procedures basically three categories can be distinguished: Procedure with

- Simultaneous correction of all object pixels
- pixelwise correction
- beamwise correction.

Die Erfindung soll hier am Beispiel einer strahlweisen Iteration erläutert werden, die nach A. C. Kak und M. Slaney („Principles of Computerized Tomograhpic Imaging”, Classics in Applied Mathematics 33, SIAM 2001 and IEEE Press, New York, 1988) folgende Form hat:

The invention will be explained here using the example of a raywise iteration which follows AC Kak and M. Slaney ("Principles of Computerized Tomography Imaging", Classics in Applied Mathematics 33, SIAM 2001 and IEEE Press, New York, 1988). has the following form:

Hierbei bezeichnet w_i den Zeilenvektor (W(i, 1), ..., W(i, N)) der i-ten Zeile der Matrix W und (w_i)^T den entsprechenden Spaltenvektor

Der sogenannte Relaxationsparameter λ dient der Beschleunigung der Konvergenz. Sein optimaler Wert ist häufig abhängig vom Iterationsschritt. Zu Beginn der Iteration kann er häufig größer gewählt werden als gegen ihr Ende.Here, w _i denotes the row vector (W (i, 1), ..., W (i, N)) of the i-th row of the matrix W and (w _i ) ^T the corresponding column vector

The so-called relaxation parameter λ serves to accelerate the convergence. Its optimal value is often dependent on the iteration step. At the beginning of the iteration, it can often be chosen larger than towards its end.

Bei diesem Verfahren wird nun häufig der Strahlindex i als gleichverteilte Zufallsgröße ermittelt, um möglichst alle verfügbaren Informationen gleichmäßig in die Berechnung eingehen zu lassen. Die Erfindung sieht in diesem Fall vor, bestimmte Strahlindizes i nicht in die Iteration einzubeziehen, und zwar solche Strahlen nicht, die zu als nicht verlässlich klassifizierten Bereichen in den Projektionsbildern gehören.In this method, the beam index i is now often determined as a uniformly distributed random variable in order to evenly integrate all available information equally into the calculation. The invention provides in this case, certain Strahlin dices i are not included in the iteration, namely those rays that belong to areas classified as not reliable in the projection images.

Es sei noch darauf hingewiesen, dass der hier vorgeschlagene Ansatz zur Folge haben kann, dass einige Voxel im Volumen zu keiner Gleichung des linearen Gleichungssystems beitragen. Algebraisch gesehen entspricht einem derartigen Voxel eine Nullspalte in der Systemmatrix W. Diese nicht rekonstruierbaren Voxel sind am folgenden Lösungsprozess nicht beteiligt und können entweder als ungültig markiert oder ihre Absorptionswerte approximativ bestimmt werden.It It should be noted that the approach proposed here As a result, some voxels in the volume may not match an equation of the contribute to a linear system of equations. Algebraically speaking such a voxel has a zero column in the system matrix W. These non-reconstructable voxels are at the following solution process not involved and can either be marked as invalid or their absorption values are approximated.

Diese approximative Berechnung kann z. B. mittels eines FDK-Ansatzes erfolgen, wie er in heutigen CT-Systemen sehr häufig verwendet wird. Das Ergebnis solch einer FDK-Rekonstruktion kann außerdem als geeignete Startlösung für den iterativen Lösungsprozess des linearen Systems W·f = p dienen.These Approximate calculation can z. B. take place by means of a FDK approach, as it is used very often in today's CT systems. The result of such a FDK reconstruction can also as a suitable starting solution for the iterative solution process of the linear system W · f = p.

Grundlegend für die Erfindung ist die Kombination des Einsatzes eines algebraischen Verfahrens zur Bild-Rekonstruktion mit einer geschickten, selektiven Verwendung von Projektionsdaten, welche ausschließlich verlässliche Daten in die Berechnung einbeziehen. Hingegen werden Daten, die aus praktisch vollständig absorbierten oder sehr stark aufgehärteten Strahlen resultieren, nicht in die Berechnung einbezogen.Fundamental for the invention, the combination of the use of a algebraic process for image reconstruction with a skillful, selective use of projection data, which exclusively Include reliable data in the calculation. On the other hand become data that is absorbed almost completely or very strongly hardened rays do not result included in the calculation.

Es sind also von vornherein keine vollständigen (oder rechnerisch vervollständigten) Projektionsbilder zur Rekonstruktion des Volumendatensatzes erforderlich. Vielmehr ist nur die algebraische Forderung zu erfüllen, genügend viele lineare Gleichungen bereitzustellen, um das lineare Gleichungssystem mit hinreichender Genauigkeit zu lösen zu können. Die Auswahl der verlässlichen Daten in den Projektionsbildern hat mittels eines Segmentierungsansatzes zu erfolgen.It So, from the outset, they are not complete (or mathematically completed) projection images for reconstruction of the volume data set required. Rather, only the algebraic is To meet requirement, enough many linear To provide equations to the linear equation system with sufficient accuracy to be able to solve. The Selection of reliable data in the projection images has to be done by means of a segmentation approach.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

AC Kak and M. Slaney ("Principles of Computerized Tomography Imaging", Classics in Applied Mathematics 33, SIAM 2001 and IEEE Press, New York, 1988). [0035]

Claims

A method of image reconstruction in computed tomography, wherein an image of an examination object is reconstructed from a plurality of projections, characterized in that individual projections or ranges of projections are evaluated for their suitability for image reconstruction, and that individual projections or ranges of projections, the - carry no meaningful information, in particular as a result of excessive hardening or because of absorption by metal structures within the examination object, are not used for image reconstruction.

The method of claim 1, wherein in a preprocessing step a direct segmentation of unutilized regions in acquired Projection images takes place.

The method of claim 1, wherein in a preprocessing step first an initial reconstruction solution acquired projection images, then unrecognizable regions in this initial reconstruction solution be segmented approximately and finally not usable Regions in the acquired projection images by simulated Forward projection.

Method according to one of the preceding claims, in which for image reconstruction an algebraic reconstruction method is used.

Method according to one of the preceding claims, in the case of image reconstruction, an iterative algebraic reconstruction method is used.

A method according to claim 3 or any of the claims 4 or 5 in conjunction with claim 3, wherein for generating a initial reconstruction solution an analytical reconstruction method is used.