DE102008052691A1

DE102008052691A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Rekonstruktion und Visualisierung von Volumendaten auf der Basis allgemeiner Projektionsdaten

Info

Publication number: DE102008052691A1
Application number: DE200810052691
Authority: DE
Inventors: Karl Dr. Barth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2010-04-29

Abstract

Bei dieser Vorrichtung und dem dazugehörigen Verfahren werden zur Rekonstruktion und Visualisierung Projektionsdaten in einem 3-D-Speicher flexibel adressierbar und bearbeitbar abgelegt, in einem n-fach fortzusetzenden prozessorgesteuerten Filter- und Rekonstruktionsvorgang innerhalb beliebiger Daten- und Volumenebenen parallel verrechnet, wobei entstandene Volumendaten bereits für eine direkte Visualisierung geladen sind.

Description

Eine Rekonstruktion von Volumendaten auf der Basis von Projektionsdaten führt z. B. in der medizinischen Bildverarbeitung oder in der Materialprüfung zu detaillierten räumlichen Einblicken und ermöglicht eine fundierte Diagnose. Die Projektionsdaten können beispielsweise mittels Röntgen, elektrisch z. B. mit Impedanzmessung, optisch oder akustisch wie z. B. mit Sonographie gewonnen werden.
Ein Verfahren einer Volumenerzeugung, die auch als gefilterte Rückprojektion bezeichnet werden kann, ist in Fällen einsetzbar, in denen eine Computertomographie nicht zur Verfügung steht. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 102005028225 beschrieben. Zur Volumenerzeugung bzw. Volumenberechnung kommen dabei Verfahren, wie in der Patentanmeldung WO 2005/073922 beschrieben, zum Einsatz. Der dort beschriebene Anmeldungsgegenstand bringt durch eine Vielzahl von zu verarbeitenden digitalen Projektionsdaten den Nachteil einer wahrnehmbaren Verzögerung in der Visualisierung von Volumendaten mit sich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitere Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zur Rekonstruktion und Visualisierung von Projektionsdaten anzugeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die im Patentanspruch 1 und 9 angegebenen Merkmale gelöst.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass lediglich eine Verarbeitungseinheit und ein Speicher zur Bearbeitung der Rohprojektionsdaten und zur Visualisierung der Projektionsdaten benötigt werden und die Projektionsdaten und Volumendaten während der gesamten Verarbeitung und Visualisierung darin verbleiben.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass sowohl die Vorverarbeitung als auch die rekonstruktionsbezogene Filterung und die Rekonstruktion in 3D-Blöcken erfolgen.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass die erforderlichen Berechnungen in den 3D-Blöcken durch geschlossene Transformationen kompletter 2D-Ebenen erfolgen.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass eine 3D-Rekonstruktion in Realtime durchführbar ist.
Die Erfindung soll im Folgenden mittels des in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein Blockschaltbild,
2 ein weiteres Blockschaltbild,
3 eine Ausgestaltung des Blockschaltbildes gemäß 2,
4 Projektionsdaten,
5 weitere Projektionsdaten,
6 Rekonstruktionsdaten,
7 weitere Rekonstruktionsvolumenschichten und
8 Blockdiagramm.
In WO 2005/073922 ist zur vorliegenden Aufgabenstellung der Stand der Technik beschrieben. 1 veranschaulicht, wie nach diesem Stand der Technik schematisch ein System aufgebaut wird. Die abgebildeten Verarbeitungseinheiten werden unter anderem durch eine Rekonstruktionseinheit REK und durch eine Bilderstellungseinheit BEE gebildet. Eingangsseitig wird die Rekonstruktionseinheit REK mit Daten einer Volumenprojektion V, die auch als Rohprojektionsdaten RPD bezeichnet werden können, beaufschlagt. Diese Rohprojektionsdaten RPD werden beispielsweise von einer Detektoreinheit D eines Compu tertomographiesystems oder eines C-Bogens abgegriffen und an die Rekonstruktionseinheit REK übertragen. Die in der Rekonstruktionseinheit REK angeordneten ersten bis k-ten Vorverarbeitungseinheiten VVA1_i, i = 1 ... k, die Rückprojektionseinheit RP, die Nachverarbeitungseinheit NV sowie die Speicher SP1_j, j = 1 ... m, sind Teil der Rekonstruktionseinheit REK. Die Datenverarbeitung der detektierten Rohprojektionsdaten RPD erfolgt über die Vorverarbeitungseinheiten VVA1_i und die Rückprojektionseinheit RP mit zugeordneten Speichereinheiten SP1_j. In einer ersten Speichereinheit SP1_1 werden die Rohprojektionsdaten RPD von n Röntgenaufnahmen erstmals gespeichert. In der ersten Vorverarbeitungseinheit VVA1_1 wird eine Werteskalierung, physikalische Korrektur, sowie eine Reorganisation, ein sogenanntes rebinning, in der zweiten Vorverarbeitungseinheit VVA1_2 wird eine Hochpassfilterung, ein sogenanntes sharpen, in der dritten Vorverarbeitungseinheit VVA1_3 wird eine Tiefpassfilterung (smooth), in der vierten Vorverarbeitungseinheit VVA1_4 wird eine gewichtete Zusammenführung der vorigen Bearbeitungen (sharpen und smooth) zum Abschluss der Filterung durchgeführt. Die so genannte Rückprojektion und damit die Erzeugung von 3D-Daten erfolgen in der Rückprojektionseinheit RP, einer sogenannten reconstruction. Daran schließt sich eine Nachbearbeitung an, welche letztlich die Volumendaten erzeugt und in SP1_7 ablegt. Von dort werden die Daten zur Visualisierung in die Bilderstellungseinheit BEE und den dortigen 3D-Speicher SP1_8, dem sogenannten final 3D memory, übertragen. Die Verarbeitungseinheiten in der Rekonstruktionseinheit REK arbeiten die Bilddaten sequentiell ab. Die Datenverarbeitung erfolgt in der Rekonstruktionseinheit REK pixelweise bzw. ab der Stufe NV voxelweise. Jede der n Aufnahmen wird dabei in den Verarbeitungseinheiten VVA1_1 bis VVA1_4 sowie RP und NV mit Zwischenspeicherung in bereitzustellenden Speichern nach jeder Einheit bearbeitet. In der Bilderstellungseinheit BEE ist neben einem Graphikprozessor GPU eine Speichereinheit SP1_8 angeordnet. In der Speichereinheit SP1_8 sind die von der Rekonstruktionseinheit REK abgegebenen berechneten 3D-Volumendaten abgelegt. Aus diesen werden nach den Vorgaben des Betrachters mit Hilfe des Graphikprozessors GPU in der Visualisierungseinheit BEE Volumenbilder des durchleuchteten Objektes O dargestellt.
Diese Anordnung bringt den Nachteil mit sich, dass der Speicherbedarf beträchtlich ist und eine Visualisierung der rekonstruierten Volumendaten nicht in Echtzeit erreichbar ist.
In 2 ist ein Blockschaltbild gemäß der Ausprägung der Erfindung wiedergegeben. In diesem Blockschaltbild sind unter anderem die Rekonstruktionseinheit REK, eine Bilderstellungseinheit BEE sowie eine 2D/3D Verarbeitungseinheit VAE dargestellt. In der Rekonstruktionseinheit REK sind in einzelnen Einheiten VVA3D, F3D, RP3D und NV3D Programme für eine Vorverarbeitung VVA3D, eine Filterung F3D, eine Rückprojektion RP3D sowie eine Nachverarbeitung NV3D hinterlegt. Hinterlegt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass diese Einheiten die funktionelle Kontrolle über die Aufgaben-Vorverarbeitung, Filterung, Rückprojektion und Nachverarbeitung haben und deren rechnerische Ausführung in der Verarbeitungseinheit VAE aussteuern. Es sind rein logische Einheiten, so dass z. B. eine Funktionsgruppe für Projektionsmatrix, die für eine Vorverarbeitungseinheit VVA3D und eine Rückprojektionseinheit RP3D benötigt wird, in REK nur einmal vorhanden ist. In der Vorverarbeitungseinheit VVA3D werden Programme, Steuerdaten, Lookup-Tabellen (LUTs) und Projektionsmatrizen für die Vorverarbeitung bereitgehalten und in VAE angewandt. Insbesondere handelt es sich bei den Programmen und Projektionsmatrizen auch um Projektions- und Verzerrungskorrektur in der Vorstufe zur 3D-Filterung in der folgenden Filtereinheit F3D, z. B. bei nicht idealer Orthogonalität des Detektors auf dem zentralen Röntgenstrahl oder bei unterschiedlichem Fokus-Detektorabstand. Auch physikalische Korrekturen und Skalierungen werden hier durchgeführt. In der Filtereinheit F3D werden Programme, Steuerdaten und Filterkerne für eine Filterung oder Faltung in 3D in virtuellen Ebenen bereitgehalten und in VAE angewandt. In der Nachverarbeitungseinheit NV3D werden Programme und Steuerdaten für die optimale Bilddar stellung in der Visualisierungseinheit VE bereitgehalten und angewandt. In der Rückprojektionseinheit RP3D sind Programme, Steuerdaten, Projektionsmatrizen sowie Lookup-Tabellen hinterlegt zur Ausführung der eigentlichen Rekonstruktion in ein drittes Modul VAE3_3. Mit der in der 2 dargestellten Ausprägung der Verarbeitungseinheit VAE wird die Erzeugung und Visualisierung von CT-artigen Volumenbildern in einem einheitlichen Ansatz durchgeführt. Die in der Verarbeitungseinheit VAE durchgeführte prozessorgesteuerte Rohbilddatenverarbeitung erfolgt in mehreren Teilmodulen VAE3_1, VAE3_2, VAE3_3, VAE3_4, VAE3_5, wobei die Projektionsdaten und die daraus entstehenden Volumendaten im 3D-Speicherblock SP3D verbleiben und durchweg mehrdimensional parallel bearbeitet werden. In dem ersten Teilmodul VAE3_1 der Verarbeitungseinheit VAE erfolgt eine Werteskalierung, eine physikalische Korrektur, optional eine Subtraktion, eine Entzerrung sowie eine Projektionskorrektur. In einem zweiten Teilmodul VAE3_2 der Verarbeitungseinheit VAE erfolgt eine Filterung (Faltung) für alle Projektionen ohne voriges Umspeichern in künstlichen Ebenen innerhalb des 3D-Speichers. Das dritte Teilmodul VAE3_3 führt die Rekonstruktion der Volumendaten in SP3D_1 durch. Der in der Verarbeitungseinheit VAE angeordnete Datenprozessor kann 2D und 3D adressieren und beliebig im Raum parallel Bilddaten verarbeiten, wie z. B. interpolieren, rotieren, verschieben, projizieren, verzerren (warpen) sowie falten.
Die darüberliegenden Blöcke REK und BEE dienen der Veranschaulichung, da wie in 1 dargestellt und wie im Stand der Technik üblich, die Rekonstruktion und die Visualisierung als getrennte Disziplinen betrachtet werden. Von dem in der 3D-Verarbeitungseinheit VAE angeordneten Datenprozessor DP werden zum Einen Vorverarbeitungsschritte, Filteraufgaben sowie eine Rückprojektion und zum Anderen die Darstellung der Volumenbilddaten V gemäß Vorgaben aus REK und BEE ausgeführt. Die Volumenbilddaten oder die Volumenmatrix V können z. B. mittels iterativer algebraischer Verfahren ART (algebraic reconstruction technique) oder einer gefilterte Rückprojektion FBP (filtered backprojection) errechnet werden. Dabei werden die Daten gefiltert und anschließend auf die Volumenmatrix V rückprojiziert. Die gefilterte Rückprojektion FBP beruht dabei überwiegend auf einem analytischen Ansatz, der aus der Abtastgeometrie abgeleitet ist. Iterative Verfahren, haben besondere Bedeutung bei unvollständigen Scandaten.
Als Visualisierungsalgorithmen können nach Vorgaben des Benutzers, hier beispielsweise eine direkte 3D-Darstellung mit Hilfe eines Volumenrendering Verfahrens VR, ein Shaded Surface Display (SSD), eine Maximum oder Minimum Intensity Projection (MIP), eine Darstellung ähnlich der multiplanaren Reformatierung MPR oder ein Verfahren zur röntgenähnlichen Betrachtung (R0) ausgewählt werden.
Die Verarbeitungseinheit VVA3D steuert das Einlesen und dabei die Vorverarbeitung der Rohprojektionsdaten RPD1, ..., RPDn. Die Verarbeitungseinheit VAE wird hierzu mit entsprechenden Programmen, Steuerdaten, Projektionsmatrizen sowie Lookup-Tabellen LUTs versorgt.
Die Vorverarbeitungseinheit VVA3D bezieht sich hiermit auf das erste Teilmodul VAE3_1, der Rohbilddatenverarbeitung in der Verarbeitungseinheit VAE. Die Moduleinteilung ist aber rein logisch funktionell und im Bearbeitungsablauf zu sehen, als Strukturierung zum besseren Verständnis dieses Ablaufs. Ansonsten stellt Vorverarbeitungseinheit VAE eine Einheit zur 3D-Parallelverarbeitung dar.
Im ersten Teilmodul VAE3_1 wird die Vorverarbeitung durchgeführt. Es wird eine Werteskalierung vorgenommen, z. B. mit Hilfe von einer oder mehreren LUTs. Ebenso kann eine detektorbezogene physikalische Korrektur durchgeführt werden. Wenn nötig, werden im gleichen Sinne der Vorverarbeitung Subtraktion oder geometrische Entzerrung durchgeführt. Dabei können auch Projektionsmatrizen verwendet werden. Mittels der Projektionsmatrizen bzw. einer Gesamt-Projektionsmatrix kann eine ganze Ebene mit Rohbildprojektionsdaten RPDi geschlossen aufbereitet im 3D-Blockspeicher SP3D_1 abgelegt werden. Geschlossen soll heißen, dass dies in einer parallelisierten Operation realisiert ist, und dass die Daten eine 3D-Einheit darstellen. Alle diese Teilfunktionen können bereits während des Einlesens, d. h. auf dem Weg der 2D-Rohprojektionsdaten in den 3D-Speicherblock SP3D_1 erfolgen.
Mit einem der Filtereinheit F3D zugeordneten Filteralgorithmus wird mit Hilfe des zweiten Teilmoduls VAE3_2 der Verarbeitungseinheit VAE ein Schritt einer rekonstruktionsbezogenen Filterung, die auch als Faltung realisiert und bezeichnet werden kann, durchgeführt. Dazu wird in der 3D Speichereinheit SP3D, in einer ersten Stapelung ein Block PD von transformierten Rohprojektionsdaten RPD1 ... RPDn gebildet. Die Rohprojektionsdatensätze RPDi sind nun parallel zueinander als Datenebenen in einem künstlichen 3D-Block PD angeordnet, obwohl sie zuvor in verschiedenen Positionen und Orientierungen erfasst wurden. Nun erfolgt virtuell, d. h. nur vorstellungs- und handhabungsmäßig, aber ohne tatsächliches Umspeichern, eine nochmalige Neuinterpretation dieser Datenebenen als virtuelle Ebenen senkrecht zur ersten Stapelung im Block PD. Die Normalenvektoren der im 3D-Block gespeicherten Ebenen weisen wie in 4 dargestellt in i-Richtung. Der Normalenvektoren der virtuellen Ebenen weisen in gemäß 5 in u-Richtung. Die Filterung durch die Filtereinheit F3D erfolgt nun so, dass jeweils mindestens 2 virtuelle Ebenen gegeneinander verrechnet werden, z. B. als Faltung oder speziell als rekursive Filterung. Dies erfolgt stets in der parallelen Verknüpfung ganzer Ebenen, in diesem Fall der virtuellen Ebenen. Die Rückprojektion RP3D als eigentliche Rekonstruktionsaufgabe erfolgt im dritten Teilmodul VAE3_3 und erzeugt ein beliebig visualisierbares 3D-Volumen in der 3D Speichereinheit SP3D. Dazu wird das dritte Teilmodul VAE3_3 vor allem mit Projektionsmatrizen versorgt. Mit Hilfe dieser Projektionsmatrizen werden in Verbindung mit weiteren Steuerdaten und Koordinaten die zuletzt durch das zweite Teilmodul VAE3_2 gefilterten Daten miteinander verrechnet und damit Volumendaten in SP3D generiert. Hierzu werden die Input-Daten in SP3D wie der als Ebenen von Projektionsdaten PD mit Normvektor in der ersten Stapelrichtung, also wie oben von links nach rechts gestapelt, interpretiert. Jede PD-Ebene wird nun im zu rekonstruierenden Volumenbereich in jeder Tiefenposition STPi so zu den überdeckten Voxeln hinzuaddiert, wie sich die Volumenelemente bei der Aufnahme auf den Detektor projizierten. Das geschieht für jede PD-Ebene unter Berücksichtigung ihrer speziellen Projektionsgeometrie bei der RPD-Aufzeichnung, z. B. mittels der zugehörigen speziellen 3D-Projektionsmatrix, wobei jede Ebene sukzessive in Richtung des aus dem Zentrahlstrahl berechneten Orientierungsvektors auf jede Tiefe des Rekonstruktionsvolumens projiziert wird.
In einer Variante des Verfahrens kann von der exakten Richtung des Zentralstrahls abgewichen werden, indem zur Steuerung der Rückprojektion diejenige Prinzipal-Achsenrichtung (Kante; x, y oder z) des Volumenblocks in PD verwendet wird, welche die geringste Raumwinkelabweichung zum Zentralstrah ZS besitzt. Für jede Projektionsdatenebene wird das Volumen PD entlang der jeweiligen Prinzipalachsenrichtung in Voxelabständen durchschritten und in jedem Schritt eine ebenenparallele Addition der PD-Ebene auf die Voxelebene STPi dieses Schrittes vorgenommen, und dies wird für alle PD-Ebenen über die jeweils neu ermittelte Prinzipalachsenlänge (Volumenkante) durchgeführt. Vorteilhafterweise ändert sich die Wahl der Prinzipalachse unter 45 Grad, so dass die Projektionen mancher PD-Ebenen maximal 45 Grad schief sind, was aber nur zu tolerablen Unschärfen in der Einrechnung einzelner Projektionen und zu nicht sichtbaren Ungenauigkeiten im rekonstruierten Gesamtvolumen führt, da es sich hier effektiv um eine gewisse Mittelung handelt, die wie in WO 2005/073922 beschrieben auch gewünscht sein kann. Die anschließende Nachverarbeitung in der Nachverarbeitungseinheit NV3D dient der Optimierung der 3D-Bildqualität. Das Nachbearbeitungsprogramm NV3D wird in Verbindung mit der Verarbeitungseinheit VAE3_3 durchgeführt, welche die 3D-Daten in dem 3D-Speicher SP3D bereits im Hinblick auf die Visualisierung aufbereitet, z. B. in ihren Werten für entsprechenden optimale Helligkeit und Kontrast skaliert, z. B. auch unter Einsatz von Parallel-Addition von 3D-Ebenen und 3D-Säulen zur Ermittlung einer Werte-Statistik sowie über Lookup-Tabellen (LUTs). Die Anpassung der Werte geschieht in VAE3_3 und erfolgt speichermäßig innerhalb des 3D-Speichers SP3D. Die 3D-Darstellung (Visualisierung, Rendering) wird ebenfalls und in prinzipiell gleicher Weise vom Datenprozessor DP durchgeführt. Je nachdem, welche Darstellungsmethode in der Bilderstellungseinheit BEE ausgewählt wurde, werden die Daten aus SP3D in VAE3_5 miteinander verrechnet, d. h. im Detail z. B. erneut über Projektionsmatrizen und mit Hilfe von einer oder mehreren Lookup-Tabellen projiziert und verrechnet und in den Framebuffer FB ausgegeben, dessen Inhalt als 3D-Bild 1:1 auf dem Monitor dargestellt wird. Mit Stereotechnik kann hier sogar ein echter 3D-Eindruck erzeugt werden.
In der dem ersten Teilmodul VAE3_1 nachgeordneten zweiten Teilmodul VAE3_2 der Verarbeitungseinheit VAE werden die in dem 3D-Speicher SP3D abgelegten Projektionsdaten PD, wie in den 4, 5, und 8 beschrieben, in Ebenen in (i, v)-Ausrichtung mit Normalenvektor u aufgeteilt und jeweils in einem Schritt, schichtweise parallel bearbeitet. In dem auf dem zweiten Teilmodul VAE3_2 nachfolgenden dritten Teilmodul VAE3_3 wird mit der so genannten Technik der Rückprojektion die Rekonstruktion, also die Erzeugung der Volumendaten (Voxels) durchgeführt. Diese Volumendaten und ihre Visualisierung sind das eigentliche Ergebnis der Vorrichtung/des Verfahrens. In dem dritten Teilmodul VAE3_3 werden die Daten in dem 3D Speicher SP3D wieder parallel zu den Ebenen der Rohprojektionsdaten RPD interpretiert, also in Ebenen in (u, v)-Ausrichtung mit Normalenvektor i.
Die verbesserte Anpassung der Volumendaten an die 3D-Visualisierung erfolgt in einer der Rückprojektion nachgeschalteten Nachverarbeitungsstufe NV3D bzw. VAE3_4, welche die rekonstruierten Werte des 3D-Volumenspeichers SP3D optimal für die Darstellung umrechnet und einstellt, z. B. mit Statistik über das gesamte Volumen und mittels Erzeugung und Anwendung von Lookup-Tabellen. Nachgeschaltet nach VAE3_4 er folgt in dem fünften Modul VAE3_5 die Visualisierung auf der Basis derselben 3D-Daten in SP3D, und mit denselben Mechanismen wie bei der Rekonstruktion. Dabei werden die Daten in eine Projektion umgerechnet und für jede Ansicht in Echtzeit im Framebuffer FB abgelegt. Welche Art der Visualisierung (VR, ... MPR, RÖ) jeweils aktiv ist und welche Lookup-Tabellen (z. B. Transferfunktionen für das VR) verwendet werden, wird über Bedienung in der Bilderstellungseinheit BEE festgelegt, was zu einer entsprechenden Parametrierung des Datenprozessors DP in der Verarbeitungseinheit in dem fünften Teilmodul-VAE3_5 führt.
In 3 wird mittels einer schematischen Darstellung gezeigt, wie die Rohprojektionsdaten RPD1, ..., RPDn erzeugt und in der 3D-Speichereinheit SP3D als Projektionsdaten PD (4) hinterlegt werden. Entsprechend der schematischen Darstellung werden mit einer nicht näher dargestellten, aus einer Strahlenquelle RGR und einer Detektoreinheit D gebildeten Röntgeneinheit Rohprojektionsdaten RPD1, ..., RPDn von einem zu untersuchenden Objekt O erstellt. Das Objekt 0 ist einem ersten Koordinatensystem (x, y, z) zugeordnet. Die einem zweiten Koordinatensystem (u, v) zugeordneten Rohprojektionsdaten RPD werden während der Untersuchung im Rahmen der Vorverarbeitung einem um die dritte Dimension erweiterten zweiten Koordinatensystem (u, v, i) zugeordnet. Die Röntgenstrahlquelle RGR wird z. B. im ersten Koordinatensystem in einer Raumkurve um das Objekt herumgeführt. Der Detektor zur Erfassung der Rohprojektionsdaten befindet sich dabei auf der anderen Seite des Objektes und ist senkrecht zum von der Strahlungsquelle RGR ausgehenden Zentrahlstrahl ZS orientiert. Aus der Richtung dieses Zentrahlstrahls wird für das zu rekonstruierende Volumen für jede Projektion ein Orientierungsvektor gebildet, der bei der späteren Rekonstruktion verwendet wird. Der Detektor bewegt sich damit auf einer zur Raumkurve des Strahlers RGR gegenläufigen Bahn bzw. Raumkurve. Die Rohprojektionsdaten RPD1, ..., RPDn werden vom Detektor D erfasst und jeweils datenprozessorgesteuert durch die Verarbeitungseinheit VAE abgerufen. Die Rohbildprojektionen RPD1, ..., RPDn aus dem zweiten Koordinatensystem, beispielsweise die Einzelprojektionen einer Volumen-Aufnahmeserie, werden gemäß des zweiten Koordinatensystems abgelegt, möglicherweise dabei bereits transformiert und transformiert abgelegt. Dabei werden sie als Stapel von 2D-Ebenenbereichen oder als 3D-Block definiert, Daten die im ersten 3D-Speicher SP3D abgelegt sind. Die Bilddaten bzw. Projektionsdaten PD der einzelnen Projektionen sind dabei entsprechend dem zweiten Koordinatensystem u, v, i schichtweise in i Richtung abgespeichert.
Erfolgen die Projektionsaufnahmen während der Akquisition z. B. entlang einer durch den Detektor beschriebenen Raumkurve, so ist die hauptsächlich geforderte Filterrichtung parallel zu dieser Raumkurve. Eine Variante hierbei ist eine Ellipse bzw. eine Kreisbahn, welche die u-Koordinate des Detektors jeweils tangential berührt. In diesem Fall ist die in erster Linie geforderte Filterrichtung parallel zu u. Ein dem Filter F3 zugeordneter Filteralgorithmus kann im einfachsten Fall ein Hochpassfilter im Sinne eines Gradientenfilters oder eines Unsharp Maskings sein, bzw. eine dem Wesen nach eindimensionale Faltung mit einem beliebigen Faltungskern, die jedoch parallel für komplette (i, v)-Ebenenbereiche durchgeführt wird. Eine weitere Filterung ist die nach Shepp und Logan. Auch eine wie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 1998P03042 beschriebene exponentielle Filterung kann hier eingesetzt werden.
Wie in 5 gezeigt, erfolgt die Filterung der Projektionsdaten PD z. B. als so genannte 3D-Texturdaten in der i, v Ebene. Die Prozessorhardware des Datenprozessors DP ist für die Filterung dazu derart ausgebildet, dass die in 1 bis n Schichten in i Richtung abgelegten Texturdaten nicht nur als (u, v)-Ebenenbereiche addressiert werden können, sondern als beliebig orientierte Ebenenbereiche, also auch als (i, v)-Ebenenbereiche, und diese beliebig orientierten Ebenenbereiche als ganze parallel verarbeitet werden können, also z. B. ein Ebenenbereich u = 1 mit dem Ebenenbereich u = 2 über die Pipeline des Datenprozessors DP komplett verrechnet werden kann. Jede und mehrere Datenebenen können durch die Prozessorhardware in einem Verarbeitungsschritt erfasst werden. Texturdaten von benachbarten sich in u Richtung fortsetzenden Schichten können mit entsprechenden Filterkoeffizienten berücksichtigt werden. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel zu einer Volumenrekonstruktion V basierend auf einer Rohbilddatenakquisition beschrieben. Hierzu werden diese Rohprojektionsdaten in einem 2D/3D Speicher SP3D abgelegt. Die 2D-Texturen, die auch als Projektionsbilddaten bezeichnet werden können, werden in den Ebenen 1 bis n des 3D-Speichers SP3D nacheinander in aufsteigender i Richtung abgelegt und bilden ab diesem Zeitpunkt einen künstlich erzeugten 3D-Block, der als 3D-Textur gehandhabt werden kann. Danach werden für die rekonstruktionsbezogene (Vor-)Filterung virtuell neue Ebenen, z. B. (v, i)-Ebenen definiert, ohne dass man den 3D-Projektionsspeicher umsortieren muss. Es wird nur in anderer Weise in SP3D adressiert, z. B. in Form der Adressierung bestimmter Ebenenbereiche oder Texturen. Gemäß einem gewählten Filteralgorithmus werden die in (v, i)-Ebenenbereichen mit jeweils einer bestimmten u-Koordinate zusammengefassten Daten, wie in 5 gezeigt, miteinander verrechnet. Dabei wird das speziell dafür ausgelegte Parallelrechenwerk des 3D-Datenprozessors DP verwendet. Es handelt sich hier beispielsweise um eine 2D-parallele Verrechnung ganzer (v, i)-Ebenenbereiche mit dem Ziel, alle (u, v)-Ebenen in sich zu filtern. Eine Filterung, wie in DE 1998P03042 beschrieben, kann komplett in place erfolgen, d. h. ohne weiteren 3D-Speicherbedarf.
Nach der Filterung stehen die gefilterten Einzelprojektionen, wie in 3, 4, 6 und 7 dargestellt, in dem 3D-Speicher SP3D bereit. Für eine Rekonstruktion des Objektes O in einer Volumenrekonstruktion V werden die (u, v)-Ebenen z. B. als Texturen betrachtet. Jeder abgedeckte Bereich der Datenebenen aus dem i-Stapel wird als 3D-Textur interpretiert, ihrer Aufnahmegeometrie entsprechend gemappt und in einem Akkumulator-Bereich der 3D-Speichereinheit SP3D mit den anderen gemappten Projektionen additiv überlagert abgelegt. Der variable Teil dieser Aufnahmegeometrie wird bestimmt durch den Aufnahmewinkel jeder Projektion und die Position des Detektors gegenüber dem Strahler. Am allgemeinsten wird die Geometrie durch eine jeweilige, also zu jeder Projektion gehörige, 3 × 4 Projektionsmatrix beschrieben. Texturen können z. B. als OpenGL-Dreiecke, Quads oder Polygone definiert und behandelt werden. Damit können mit dem Datenprozessor DP jeweils mit einem Aufruf ganze Texturflächen verrechnet werden.
Bei der weiteren Betrachtung wird von einem C-Bogengerät ausgegangen, bei dem die Röntgenröhre einen Kreisbogen beschreibt und der Detektor gegenüberliegend auf der anderen Seite des Objektes angeordnet ist. Bei einer Aufnahme entsteht so, wie in 3 dargestellt, eine Serie von Rohprojektionsbildern, die entsprechend einem Projektionsstapel Schicht für Schicht (u, v)_i als Projektionsdaten PD in den Speicher SP3D des Datenprozessors DP geladen werden. Danach erfolgt die Vorverarbeitung im Wesentlichen mit geometrischer und wertemäßiger Aufbereitung. Daran schließt sich die rekonstruktionsbezogene (Vor-)Filterung an nach einem rekursiven, dem Kern von Shepp und Logan nahekommenden Verfahren zur Vorbereitung der reinen Rekonstruktion, die in diesem Fall als Rückprojektion realisiert ist. Um die Pipeline des Datenprozessors DP optimal nützen zu können, werden die gespeicherten Projektions-Schichten, wie in 4 dargestellt, für die Filterung als (v, i)-Texturen behandelt und in u-Richtung gegeneinander verrechnet. Das ist gleichbedeutend mit einer parallelen Filterung für alle Punktreihen oder Punktsäulen in u-Richtung. Für die rekursive evtl. exponentielle Berechnung kann hier z. B. direkt die Operation des OpenGL Alpha-Blendings verwendet werden. Nach dieser rekonstruktionsbezogenen Filterung stehen die Daten für die eigentliche Rückprojektion bereit.
Für das gesamte Rekonstruktionsvolumen V wird, wie in den 4, 6 und 7 angedeutet, vorzugsweise ein 3D-Volumenblock V im Sinne eines Akkumulators in der 3D-Speichereinheit SP3D vorgesehen. Bei der Rekonstruktion des 3D-Volumens V wird je weils eine Projektionsebene i aus den gefilterten Projektionsdaten PD aus der 3D-Speichereinheit SP3D herausgegriffen und in den 3D-Volumenblock V hineingerechnet. Hierzu wird gemäß 7 für jedes i zunächst bestimmt, welches Voxel von V dem Detektor bei der Aufnahme am nächsten lag und welches am weitesten entfernt war. Der Abstand dieser Extremvoxels in Richtung des Zentralstrahls ZS definiert eine Tiefe, über die im Voxelabstand Tiefenpositionen STP i definiert werden. In jeder Tiefenposition wird nun eine Schnittfläche im 3D-Volumenblock V ermittelt. Diese wird auf die Detektorebene projiziert, und umschreibt dort ein Projektionsgebiet Pi. Die Daten aus dem Projektionsgebiet Pi werden parallel, d. h. in einer Operation auf die betreffenden Daten aus PDi, also in STP i aufaddiert. Dabei handelt es sich um die Addition einer umgrenzten Fläche hinzu zu einem Flächenbereich eines 3D_Volumens, im Speicher z. B. realisiert als eine 3D-Texturoperation. So werden die mit Projektionsmatrizen berechneten relevanten Pixels Pi jeder Projektion PDi in alle Tiefenpositionen STPi eingerechnet, und dies in einer äußeren Schleife für alle Projektionen PD0 ... PDn. 7 zeigt die Einrechnung der Daten aus einer Projektion PDi in zwei Tiefenpositionen STPi und STPj von V.
Bei jeder Variante wird in der innersten Schleife eine Projektion auf eine Rekonstruktionsvolumenschicht gemappt. Das kann, wie im Ablaufdiagramm in 8 aufgeführt und mit 6 und 7 angedeutet, geschehen. Die (Polygon-)Eckpunkte (x, y, z)_1-4 der gerade zu rekonstruierenden Schicht z auf die jeweilige Projektion i werden nach folgender Vorschrift auf k Punkte (u, v)_1-k auf dem Detektor abgebildet: Ein Punkt (u, v) auf dem Detektor D, der zu einem Volumenpunkt (x, y, z) gehört, errechnet sich als vd = (r, s, t)' = Mi·vv u = r/t; v = s/t;mit

M_i:: 3 × 4 Projektionsmatrix in homogenen Koordinaten für Projektion i
v_d:: Spaltenvektor in Detektorkoordinaten (r, s, t)
v:: Spaltenvektor in homogenen Volumen-Koordinaten (x, y, z, 1)

Die k Punkte (u, v)_1-k definieren eine von einem Polygon umschriebene Textur Pi aus dem Projektionsspeicher PD, die auf eine ebenfalls polygonberandete Rekonstruktionsvolumenschicht STPi in V gemappt bzw. gewarpt wird. Dazu bedarf es der Speicherung als auch der Bearbeitung in einem dreidimensionalen Speicherraum. Durch die zumindest flächenhafte Parallelverarbeitung, mit der das ganze 3D-Volumen überstrichen wird, ergibt sich ein entscheidender Performancegewinn. Die gesamte (Vor-)Filterung z. B. mit exponentiellem Kern ist in der Pipeline des Datenprozessors DP in wenigen ms möglich, was bei einer konventionellen sequentiellen Realisierung ein Mehrfaches der Rekonstruktionszeit erfordert. Die komplette Rekonstruktion im Graphik-Rechenwerk hat zusätzlich vor allem auch den Vorteil, dass das Volumen V bereits für eine direkte Visualisierung geladen ist. Zu dieser Visualisierung kann erneut 2D oder 3D-Texture Mapping verwendet werden, sozusagen in umgekehrter Richtung, d. h. als Projektion vom Volumen auf eine Ebene, zum Beispiel Bildschirm, und es werden Echtzeit Video-Frameraten erreicht.

REK: Rekonstruktionseinheit
VVA1_1: erste Vorverarbeitungseinheit(rebinning)
VVA1_2: zweite Vorverarbeitungseinheit (filtering-Sharpen)
VVA1_3: dritte Vorverarbeitungseinheit (filtering-smooth)
VVA1_4: vierte Vorverarbeitungseinheit(filtering weight)
SP1_j: Zwischenspeicher für Verarbeitungsschritte
BEE: Bilderstellungseinheit
GPU: Graphikprozessors
FB: Framebuffer
DP: Datenprozessoreinheit
VVA3D: Vorverarbeitungeinheit
F3D: Filtereinheit/Filteralgorithmus
RP3D: Rückprojektionseinheit/Rückprojektionsalgorithmus
NV3D: Nachverarbeitungseinheit
RPD1, ..., n: Rohprojektionsdaten/Projektionsdaten
VAE: Verarbeitungseinheit
VAE3_1, ..., 5: erstes bis fünftes Teilmodul in der Verarbeitungseinheit
SP3D: 3D-Speichereinheit
VE: Visualisierungseinheit
TDSP: Texturspeicher
PDSP: dritter Speicher
O: Objekt
ZS: Zentralstrahl
RGR: Strahlenquelle
VR: Volumenrendering
SSD: Shaded Surface Display
MIP: Maximum/Minimum Intensity Projection
MPR: multiplanare Reformatierung
RÖ: Verfahren zur röntgenähnlichen Visualisierung
D: Detektoreinheit
PD: Projektionsdaten
ZS: Zentralstrahl
RP: Rückprojektionseinheit/reconstruction
V: Volumenbilddaten/3D Volumenblock Rekonstruktionsvolumen
STPi: Schnitt durch V in Tiefenposition i
Pi: Projektionsgebiet von STPi auf D
NV: scaling

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005028225 [0002]
- WO 2005/073922 [0002, 0019, 0028]
- DE 199803042 [0032, 0033]

Claims

Vorrichtung zur Rekonstruktion und Visualisierung von Projektionsdaten (PD1, ..., PDn), insbesondere von während einer seriellen Röntgenakquisition von einem Objekt (O; x, y, z) entstandenen Rohprojektionsdaten (RPD1, ..., RPDn), wobei von einer senkrecht zum Zentralstrahl einer Strahlenquelle (RGR) angeordneten planen Detektoreinheit (D) Rohprojektionsdaten (RPD1, ..., RPDn) abgreifbar sind, dass eine datenprozessorgesteuerte Verarbeitungseinheit (VAE) mit einer 3D-Speichereinheit (SP3D), eine Rekonstruktionseinheit (REK) sowie eine Bildverarbeitungseinheit (BEE) vorgesehen ist, dass mindestens ein Teilmodul(VAE 3_1, VAE 3_2, VAE 3_3, VAE 3_4, VAE 3_5) durch einen in der Verarbeitungseinheit (VAE) angeordneten Datenprozessor (DP) jeweils durch in der Rekonstruktionseinheit (REK) und der Bilderstellungseinheit (BEE) hinterlegte Programme und Parameter (Daten) geladen werden, wobei die mindestens zweidimensionalen Projektionen der Rohprojektionsdaten (RPD1, ..., RPDn) in eine mindestens dreidimensionale Datenstruktur (PD) in der 3D-Speichereinheit (SP3D) während der gesamten Datenverarbeitung wiederholt zwischengespeichert werden, wobei nach der Datenverarbeitung durch mindestens einem Teilmodul (VAE 3_1, VAE 3_2, VAE 3_3, VAE 3_4) für die einzelnen Projektionen jeweils ein isotropes Volumen gebildet und die Voxelbilddaten, in der 3D-Speichereinheit (SP3D) als 3D-Volumenbild abgelegt und durch die Bilderstellungseinheit (BEE) unmittelbar als 3D-Volumenbild visualisierbar ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Teilmodul (VAE 3_3) für jede Projektionsaufnahme (RPD1, ...,RPDn) einen Orientierungsvektor in dem zu rekonstruierenden 3D-Volumenbild erstellt und entlang diesem Orientierungsvektor im Voxelabstand und senkrecht zum Orientierungsvektor Ebenen definiert, wobei zu jeder dieser Ebenen die umkehrbare Projektion auf den zugehörigen Rohprojektionsdatensatz (RPDi) berechnet und der damit abgedeckte Bereich des Rohprojektionsdatensatzes (RPDi) in Parallelverarbeitung auf jeder Ebene im Volumenspeicher hinzuaddiert wird.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle (RGR) und Detektoreinheit (D) der Röntgeneinheit für jeden Rohprojektionsdatensatz (RPDi) anders positioniert und orientiert sind wobei jeweils während der Serienbilderfassung bekannte oder gemessene Raumkurven beschrieben werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Teilmodul (VAE 3_1) der Verarbeitungseinheit (VAE) jeweils eine Vorverarbeitung der Rohprojektionsdaten (RPD1, ..., RPDn) in je einem Parallel-Verarbeitungsschritt während des Ladens in den 3D-Speicher (SP3D) vornimmt.
Vorrichtung nach einem der, vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Teilmodul (VAE3_2) durch Programme der Bildverarbeitungseinheit (REK) derart geladen wird, dass für einen n-fach fortzusetzenden prozessorgesteuerten Filtervorgang die entlang der i-Achse in n u-v-parallelen Ebenen im zweiten Koordinatensystem (u, v, i) abgelegten Projektionsdaten innerhalb beliebiger Schnittebenen in dem zweiten Koordinatensystem (u, v, i) zusammengefasst werden und für den n-fach fortzusetzenden Filtervorgang von jeweils mindestens zwei Schnittebenen parallel verrechnet werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Teilmodul (VAE3_2) durch Programme der Bildverarbeitungseinheit (REK) derart geladen wird, dass für einen n-fach fortzusetzenden prozessorgesteuerten Filtervorgang die entlang der i-Achse in n u-v-parallelen Ebenen im zweiten Koordinatensystem (u, v, i) abgelegten Projektionsdaten von jeweils mindestens zwei in u-v Richtung sich erstreckenden Ebenen parallel verrechnet werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teilmodul (VAE3_2) durch Programme der Bildverarbeitungseinheit (REK) derart geladen wird, dass für einen n-fach fortzusetzenden prozessorgesteuerten Filtervorgang die entlang der i-Achse in n u-v-parallelen Ebenen im zweiten Koordinatensystem (u, v, i) abgelegten Projektionsdaten innerhalb von m v-i Schnittebenen in dem zweiten Koordinatensystem (u, v, i) zusammengefasst werden und die Projektionsdaten von jeweils mindestens zwei v-i Schnittebenen parallel verrechnet werden.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Teilmodul (VAE3_3) in der Verarbeitungseinheit (VAE) vorgesehen ist, wobei dieses durch eine Rückprojektionseinheit (RP3) aus der Bildverarbeitungseinheit REK) derart angesteuert wird, dass eine prozessorgesteuerte Rückprojektion kompletter u-v Ebenen von gefilterten 2D-Projektionsdaten (PD) in ein Rekonstruktionsvolumen (V) unter Verwendung von einem 2D- oder 3D-Texturmapping und einer Parallel-Akkumulation der jeweils gemappten Daten im jeweils bearbeiteten Bereichen des 3D-Rekonstruktionsvolumens (V) erfolgt.
Verfahren zur Rekonstruktion und Visualisierung von Projektionsdaten (PD1, ..., PDn), insbesondere von während einer seriellen Röntgenakquisition von einem Objekt (O; x, y, z) entstandenen Rohprojektionsdaten (RPD1, ..., RPDn), dass von einer senkrecht zum Zentralstrahl einer auf einer Raumkurve bewegten Strahlenquelle (RGR) angeordneten planen Detektoreinheit (D) Rohprojektionsdaten (RPD1, ..., RPDn) abgegriffen werden, dass entsprechend den Verarbeitungsschritten hinterlegte Programme und Parameter (Daten) zur Bildrekonstruktion und Bildbearbeitung geladen werden, dass jeweils die einer Projektionsaufnahme entsprechenden Projektionsdaten parallel bearbeitet werden, dass die Bildverarbeitung derart durchgeführt wird, dass eine 3D-Volumenanzeige der rekonstruierten Volumendaten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Vorverarbeitung der Rohprojektionsdaten (RPD1, ..., RPDn) in je einem Parallel-Verarbeitungsschritt während des Ladens in den 3D-Speicher SP3D vornimmt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Parallel-Vorverarbeitung der gesamten Projektionsdatenebenen (PD1, ..., PDn) in einem Verarbeitungsschritt vornimmt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für einen n-fach fortzusetzenden prozessorgesteuerten Filtervorgang die entlang der i-Achse in n u-v-parallelen Ebenen im zweiten Koordinatensystem (u, v, i) abgelegten Projektionsdaten innerhalb beliebiger Schnittebenen in dem zweiten Koordinatensystem (u, v, i) zusammengefasst werden und für den n-fach fortzusetzenden Filtervorgang von jeweils mindestens zwei Schnittebenen parallel verrechnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verarbeitung der Daten Projektionsmatrizen verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem zur Steuerung der Rückprojektion nicht genau die Richtung des Zentralstrahls bei der Aufnahme verwendet wird, sondern diejenige Prinzipal-Achsenrichtung (Kante) des Volumenblocks, mit der geringsten Raumwinkelabweichung in diese Richtung, und es wird für jede Projektionsdatenebene das Volumen entlang der jeweiligen Prinzipalachsenrichtung in Voxelabständen durchschritten und in jedem Schritt eine ebenenparallele Addition der PD-Ebene auf die Voxelebene dieses Schrittes vorgenommen, und dies wird für alle PD-Ebenen über die jeweils neu ermittelte Prinzipalachsenlänge (Volumenkante) durchgeführt.