DE102009015772A1 - Method for reconstructing data sets of computerized tomography-image of e.g. human, from projection data sets, involves tomographically representing determined partial density of examination object - Google Patents

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Abstract

The method involves calculating a local measurement spectrum-based weighting function at a location of an examination object i.e. patient (7), based on recently known material distribution in the examination object with a material-specific energy-based attenuation function. Material analysis is implemented for a basic material e.g. contrast agent, such that material-specific local partial density of the examination object is determined based on the weighting function and the attenuation function. The determined partial density of the examination object is tomographically represented. An independent claim is also included for a computerized tomography system for scanning an examination object.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion von CT-Bilddatensätzen aus N ≥ 2 Projektionsdatensätzen, aufgenommen mit N unterschiedlichen Spektralwichtungen, enthaltend die Verfahrensschritte:

  • – CT-Scan eines Untersuchungsobjektes und Erzeugung der N Projektionsdatensätzen, gemessen mit jeweils unterschiedlicher Spektralwichtung,
  • – Rekonstruktion von N CT-Bilddatensätzen, jeweils mit einer Vielzahl von lokalen Bildwerten, die lokale mittlere Schwächungswerte am Ort des Untersuchungsobjektes und eines Messfeldes in Abhängigkeit von den jeweils zum Scan genutzten energieabhängigen Spektralwichtungen wiedergeben.
The invention relates to a method for reconstructing CT image data sets from N ≥ 2 projection data records, recorded with N different spectral weights, comprising the method steps:
  • CT scan of an examination object and generation of the N projection data sets, measured in each case with different spectral weighting,
  • - Reconstruction of N CT image data sets, each with a plurality of local image values representing local mean attenuation values at the location of the examination subject and a measurement field as a function of the energy-dependent spectral weights used for the scan.

Unter dem Begriff Spektralwichtung wird erfindungsgemäß die Produktfunktion Sj(E)·Dj(E) mit j = 1 bis N verstanden, die energiespezifisch das Produkt aus der energieabhängigen Wichtung des verwendeten Strahlungsspektrums Sj(E) und der spektralen Empfindlichkeit eines verwendeten Detektors Dj(E) repräsentiert. Der Index j steht dabei jeweils für eine andere Spektralgewichtung. Es ist somit möglich, mit Hilfe unterschiedlicher verwendeter Spektren und Detektoren gleicher spektraler Empfindlichkeit oder mit Hilfe gleicher Strahlungsspektren aber unter Verwendung unterschiedlicher spektraler Detektorempfindlichkeiten oder auch unter gleichzeitiger Änderung der spektralen Empfindlichkeit des Detektors und mit unterschiedlichen Strahlungsspektren jeweils spektral unterschiedlich gewichtete Schwächungswerte zu erhalten.According to the invention, the term spectral weighting is understood to mean the product function S j (E) .D j (E) with j = 1 to N, which is energy-specifically the product of the energy-dependent weighting of the radiation spectrum S j (E) used and the spectral sensitivity of a detector used D j (E) represents. The index j stands for a different spectral weighting. It is thus possible, with the aid of different spectra and detectors of the same spectral sensitivity or with the aid of the same radiation spectra but using different spectral detector sensitivities or also with simultaneous change of the spectral sensitivity of the detector and with different radiation spectra, to obtain respectively spectrally differently weighted attenuation values.

Das oben bezeichnete Verfahren und auch CT-Systeme zur Durchführung dieses Verfahrens sind allgemein bekannt. Beispielsweise können mit Hilfe von so genannten Dual-Energy-CT-Systemen unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Röntgen strahlungsspektren von dem gleichen Untersuchungsobjekt zwei tomographische Bilddatensätze rekonstruiert werden, die jeweils die örtlichen Schwächungswerte, genauer die örtlichen Schwächungskoeffizienten, wiedergeben, die durch das jeweils verwendete Strahlungsspektrum und die spektrale Empfindlichkeit des verwendeten Detektors beeinflusst werden.The above designated method and also CT systems for implementation This method is well known. For example, you can using so-called dual-energy CT systems using of two different X-ray spectra of two tomographic image data sets for the same examination object be reconstructed, each containing the local attenuation values, more precisely the local attenuation coefficients, reproduce by the particular radiation spectrum used and affects the spectral sensitivity of the detector used become.

Zur Auswertung der Messdaten wird zumeist die so genannte Basismaterialzerlegung verwendet, wie sie beispielsweise in PHYS. MED. BIOL., 1976, VOL. 21, NO. 5, 733–744, „Energyselective Reconstructions in X-ray Computerized Tomography, R. E. Alvarez and A. Macovski , beschrieben ist. Hierbei werden zwei Bilddatensätze der Konzentrationen von Basismaterialien erzeugt. Als typische Basismaterialien werden zum Beispiel Iod und Wasser oder Knochen und Wasser verwendet.For the evaluation of the measured data, the so-called base material decomposition is usually used, as described, for example, in US Pat PHYS. MED. BIOL., 1976, VOL. 21, NO. 5, 733-744, "Energyselective Reconstructions in X-ray Computerized Tomography, RE Alvarez and A. Macovski , is described. Here, two image data sets of the concentrations of base materials are generated. As typical base materials, for example, iodine and water or bone and water are used.

Auch kann auf der Basis solcher tomographischer Bilddatensätze eine RhoZ-Projektion durchgeführt werden, wie sie in der Druckschrift DE 101 43 131 B4 beschrieben ist. Hiernach werden auf Basis der energiespezifischen Schwächungswerte, die durch die tomographischen Bilddatensätze rekonstruiert wurden, die lokale Dichte und Ordnungszahl berechnet.Also, on the basis of such tomographic image data sets, a RhoZ projection can be performed, as described in the document DE 101 43 131 B4 is described. After this, the local density and ordinal number are calculated on the basis of the energy-specific attenuation values which were reconstructed by the tomographic image data sets.

Bei solchen bildbasierten spektralen Verfahren ist die Strahlaufhärtung ein wichtiges Problem. Anschaulich beschrieben, verschieben die Absorber im Strahlweg einer Projektion die Energiewichtung zu höheren Energien hin. Die Absorptionskoeffizienten μ der davon betroffener Datenabschnitte werden in Folge unterschätzt. Daraus berechnete Größen wie Konzentrationen oder Dichte und Ordnungszahlen weisen entsprechend im Resultat systematische Fehler auf.at such image-based spectral methods is the beam hardening an important problem. Described descriptively, the move Absorber in the beam path of a projection, the energy weight to higher Energies down. The absorption coefficient μ of it affected data sections are subsequently underestimated. Calculated therefrom sizes such as concentrations or Density and atomic numbers show corresponding systematic results Error on.

Will man diese Fehler vermeiden, muss die Strahlaufhärtung der die Materie durchdringenden Strahlung berücksichtigt werden. Bisher sind Strahlaufhärtungskorrektur und spektraler Algorithmus voneinander getrennte Verfahren. Für die normale monoenergetische CT werden so genannte Mehrfachkorrekturver fahren zur Strahlaufhärtungskorrektur verwendet. Deren Ziel ist es, rekonstruierte lokale Schwächungswerte mit einer räumlich konstanten Energiewichtung zu erhalten, wobei im Bild bei medizinischen Aufnahmen ein glatter Weichteileindruck entstehen soll. Hierdurch entstehen auch Auswirkungen auf die Güte einer Materialzerlegung einer tomographischen Darstellung.Want To avoid these errors, the beam hardening of the the matter penetrating radiation are taken into account. So far, beam hardening correction and spectral algorithm separate procedures. For the normal monoenergetic CT become so-called multiple correction methods for beam hardening correction used. Their goal is to reconstruct local attenuation values with a spatially constant energy weight, where in the picture in medical images a smooth soft tissue impression should arise. This also affects the quality a material decomposition of a tomographic representation.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Rekonstruktion von CT-Bilddatensätzen zu finden, bei welchem die Bilddatensätze nicht durch eine Strahlaufhärtung oder deren Korrekturmaßnahmen beeinflusst werden und eine daraus folgende Materialzerlegung unbeeinflusst von spektralen Einflüssen bleibt.It is therefore an object of the invention, a method for reconstruction of CT image data sets where the image data sets not by a beam hardening or their corrective measures be influenced and a consequent material decomposition unaffected of spectral influences remains.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.These The object is achieved by the features of the independent claims solved. Advantageous developments of the invention are Subject of subordinate claims.

Der Erfinder hat erkannt, dass die Strahlaufhärtung in ihrem Einfluss auf die rekonstruierte Bildwerte von tomographischen Bilddatensätzen, deren Pixel oder Voxel Schwächungskoeffizienten des untersuchten Objektes darstellen oder zumindest indirekt in Form von CT-Zahlen wiedergeben, abhängig vom verwendeten Spektrum der abtastenden Strahlung und/oder auch von der spektralen Empfindlichkeit des verwendeten Detektors ist. Es ist allerdings möglich, die mit einem CT rekonstruierten lokalen mittleren, also spektral gewichteten, Schwächungswerte μ j(r →) als Funktion aus einer lokalen spektralen Wichtungsfunktion Ωj(E, r →) und einer nicht messspektrumabhängigen, also einer lokalen energieabhängigen Schwächungsfunktion μ(E, r →) zu beschreiben.The inventor has recognized that the beam hardening in its influence on the reconstructed image values of tomographic image data sets, their pixels or voxels attenuation coefficients of the examined Represent object or at least indirectly in the form of CT numbers reflect, depending on the used spectrum of the scanning radiation and / or also the spectral sensitivity of the detector used. However, it is possible to use the CT-reconstructed local mean, ie spectrally weighted, attenuation values μ j (r →) as a function of a local spectral weighting function Ω j (E, r →) and a non-spectrometer-dependent, ie a local energy-dependent attenuation function μ (E, r →) to describe.

Damit gelingt es, das Problem der Strahlaufhärtung durch eine langsam variierende, fehlertolerante und zudem leicht bzw. schnell zu berechnende Funktion zu beschreiben. Es ergibt sich also ein direkter und eindeutiger Zusammenhang zwischen den herkömmlich rekonstruierten lokalen mittleren Schwächungswerten μ j(r →) und der durch die spektralen Verfahren zu charakterisierenden lokalen energieabhängigen Schwächungsfunktion μ(E, r →):

Figure 00040001
This makes it possible to describe the problem of beam hardening by means of a slowly varying, fault-tolerant and, moreover, easily or quickly calculated function. This results in a direct and clear relationship between the conventionally reconstructed local mean attenuation values μ j (r →) and the local energy-dependent attenuation function μ (E, r →) to be characterized by the spectral methods:
Figure 00040001

Erfindungsgemäß können nun diese lokalen energieabhängigen und messspektrumunabhängigen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) verwendet werden, um eine Materialzerlegung durchzuführen, wobei hier keine störenden Einflüsse durch mögliche Strahlaufhärtungen gegeben sind.According to the invention now these local energy-dependent and measurement-spectrum-independent attenuation functions μ (E, r →) used to perform a material decomposition, here no disturbing influences by possible Beam hardening are given.

Entsprechend diesem Grundgedanken schlägt der Erfinder vor, das an sich bekannte Verfahren zur Rekonstruktion von CT-Bilddatensätzen aus N ≥ 2 Projektionsdatensätzen, aufgenommen mit N unterschiedlichen Spektralwichtungen Sj(E)·Dj(E) mit j = 1 bis N zu verbessern, wobei die Spektralwichtung definiert ist als Produktfunktion aus der energieabhängigen Wichtung des verwendeten Strahlungsspektrums Sj(E) und der spektralen Empfindlichkeit eines verwendeten Detektors Dj(E).In accordance with this basic idea, the inventor proposes to improve the method known per se for the reconstruction of CT image data sets from N ≥ 2 projection data records recorded with N different spectral weights S j (E) * D j (E) with j = 1 to N, wherein the spectral weighting is defined as the product function of the energy-dependent weighting of the used radiation spectrum S j (E) and the spectral sensitivity of a detector D j (E) used.

Bekannt ist in diesem Verfahren die Durchführung eines CT-Scans eines Untersuchungsobjektes und Erzeugung der N Projektionsdatensätzen mit jeweils unterschiedlicher Spektralwichtung Sj(E)·Dj(E) und Rekonstruktion von N CT-Bilddatensätzen mit jeweils einer Vielzahl von lokalen Bildwerten, die lokale mittlere Schwächungswerte μ j(r →) am Ort r → des Untersuchungsobjektes und eines Messfeldes in Abhängigkeit von den jeweils zum Scan genutzten energieabhängigen Spektralwichtungen Sj(E)·Dj(E) wiedergeben.In this method, it is known to carry out a CT scan of an examination object and to generate the N projection data sets with respectively different spectral weighting S j (E) .D j (E) and reconstruction of N CT image data sets each having a multiplicity of local image values, the local ones mean attenuation values μ j (r →) at the location r → of the examination subject and a measuring field as a function of the energy-dependent spectral weights S j (E) · D j (E) used in each case for the scan.

Die erfindungsgemäße Verbesserung des Verfahrens sieht vor:

  • – eine Ermittlung einer ersten groben Materialverteilung mit M ≥ N vorbestimmten Basismaterialien im Untersuchungsobjekt auf der Basis der zuvor ermittelten lokalen mittleren Schwächungswerte μ j(r →),
  • – Bestimmung erster lokaler energieabhängiger Schwächungsfunktionen μ(E, r →) im Untersuchungsobjekt auf der Basis der groben Materialverteilung und der bekannten Zusammensetzung der Basismaterialien,
  • – Berechnung von lokalen messspektrumabhängigen Wichtungsfunktionen Ωj(E, r →) an den Orten r → des Untersuchungsobjektes auf der Basis der zuletzt bekannten Materialverteilung im Untersuchungsobjekt mit den dazugehörigen materialspezifischen messspektrumunabhängigen Schwächungsfunktionen μ(E, r →),
  • – Durchführung einer Materialzerlegung für M Basismaterialien zur Bestimmung von materialspezifischen örtlichen Partialdichten ci(r →) mit i = 1 bis M des Untersuchungsobjektes unter Verwendung der zuletzt bekannten lokalen energieabhängigen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) und den lokalen messspektrumabhängigen Wichtungsfunktionen Ωj(E, r →), und
  • – eine tomographische Darstellung der berechneten örtlichen Partialdichten ci(r →) des Untersuchungsobjektes.
The improvement of the method according to the invention provides:
  • A determination of a first coarse material distribution with M ≥ N predetermined base materials in the examination object on the basis of the previously determined local mean attenuation values μ j (r →),
  • Determination of first local energy-dependent attenuation functions μ (E, r →) in the examination object on the basis of the coarse material distribution and the known composition of the base materials,
  • - Calculation of local measurement spectrum dependent weighting functions Ω j (E, r →) at the locations r → of the examination object on the basis of the last known material distribution in the examination object with the associated material-specific measurement spectrum-independent attenuation functions μ (E, r →),
  • Performing a material decomposition for M base materials for determining material-specific local partial densities c i (r) with i = 1 to M of the object to be examined using the last known local energy-dependent attenuation functions μ (E, r) and the local measurement spectrum-dependent weighting functions Ω j E, r →), and
  • - A tomographic representation of the calculated local partial densities c i (r →) of the examination object.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sein, dass nach der Bestimmung von örtlichen Partialdichten ci(r →) der Basismaterialien des Untersuchungsobjektes auf der Basis dieser Partialdichten die Materialverteilung neu berechnet und die zuvor beschriebene Bestimmung der lokalen energieabhängigen Schwächungsfunktionen neu bestimmt und daraus neu die lokalen Partialdichten genauer bestimmt werden, also eine iterative Berechnung durchgeführt wird, bis eine vorgegebene Iterationsbedingung erfüllt ist. Als Abbruchbedingung für die Iteration kann beispielsweise ein maximaler Fehler zwischen den Iterationsschritten und/oder eine maximale Anzahl der Iterationen verwendet werden.An advantageous embodiment of the method according to the invention may be that, after the determination of local partial densities c.sub.i (r.sup.) Of the base materials of the examination object on the basis of these partial densities, the material distribution is recalculated and the previously described determination of the local energy-dependent attenuation functions is newly determined and the new local partial densities are determined more accurately, so an iterative calculation is performed until a predetermined iteration condition is met. For example, a maximum error between the iteration steps and / or a maximum number of iterations can be used as the termination condition for the iteration.

Zur iterativen Berechnung der lokalen messspektrumabhängigen Wichtungsfunktionen Ωj(E, r →) können die korrigierten Schwächungsfunktionen μ(E, r →) gemäß

Figure 00050001
berechnet werden, wobei E die Energieabhängigkeit und r → die Ortsabhängigkeit der Schwächungsfunktion beschreiben und μj(E, r →) die dichtenormierte energieabhängige Schwächungsfunktion des j-ten Materials darstellt.For the iterative calculation of the local measurement spectrum-dependent weighting functions Ω j (E, r →), the corrected attenuation functions μ (E, r →) can be determined according to
Figure 00050001
where E describes the energy dependence and r → the spatial dependence of the attenuation function and μ j (E, r →) represents the density normalized energy-dependent attenuation function of the j-th material.

Konkret kann bei diesem Verfahren zur Berechnung der messspektrumabhängigen lokalen Wichtungsfunktionen Ω(E, r →) an den Orten r → des Untersuchungsobjektes die Beziehung

Figure 00060001
verwendet werden, mit:
Figure 00060002
wobei P dem Vorwärtsprojektionsoperator bei einer Rekonstruktion eines CT-Bilddatensatzes und R–1 inverse Radontransformationsoperator bei einer Rekonstruktion eines CT-Bilddatensatzes entsprechen.Specifically, in this method for calculating the measurement spectrum-dependent local weighting functions Ω (E, r →) at the locations r → of the examination subject, the relationship
Figure 00060001
to be used with:
Figure 00060002
where P corresponds to the forward projection operator in a reconstruction of a CT image data set and R -1 inverse radon transformation operator in a reconstruction of a CT image data set.

Die Materialzerlegung kann mit Hilfe der Beziehung:

Figure 00060003
durchgeführt werden, wobei der Index 1 bis N die Anzahl der verwendeten energieabhängigen Spektralwichtungen (Sj(E)·Dj(E)) angibt, der Index 1 bis M die Anzahl der zu bestimmenden Materialien darstellt, während E die Energieabhängigkeit und r → die Ortsabhängigkeit des Schwächungskoeffizienten beschreiben.Material decomposition can be done using the relationship:
Figure 00060003
where Index 1 to N indicates the number of energy-dependent spectral weights used (S j (E) * D j (E)), Index 1 to M represents the number of materials to be determined, while E represents energy dependence and r → describe the location dependence of the attenuation coefficient.

Unterschiedliche energieabhängige Spektralwichtungen (Sj(E)·Dj(E)) können erfindungsgemäß durch die Verwendung unterschiedlicher Strahlungsspektren erreicht werden. Beispielsweise können hierzu verschiedene Beschleunigungsspan nungen und/oder unterschiedliche Filterungen eingesetzt werden.Different energy-dependent spectral weights (S j (E) .D j (E)) can be achieved according to the invention by using different radiation spectra. For example, different acceleration voltages and / or different filterings can be used for this purpose.

Alternativ oder ergänzend können unterschiedliche energieabhängige Spektralwichtungen Sj(E)·Dj(E) auch durch die Verwendung unterschiedlicher spektraler Detektorempfindlichkeiten erreicht werden. Hierzu können verschiedene Detektoren unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit eingesetzt werden oder auch energiespezifische Detektoren mit unterschiedlichen Energie-Abtastgrenzen genutzt werden.Alternatively or additionally, different energy-dependent spectral weights S j (E) .D j (E) can also be achieved by using different spectral detector sensitivities. For this purpose, different detectors of different spectral sensitivity can be used or energy-specific detectors with different energy sampling limits can be used.

Das zuvor beschriebene Verfahren kann insbesondere im Rahmen von Patientenuntersuchungen verwendet werden, wobei bei diesen Untersuchungen für die Materialzerlegung das Wissen um die grundsätzlich im menschlichen oder tierischen Körper vorhandenen Basismaterialien, wie Wasser oder Weichgewebe, Knochen, Luft, Implantatmaterialien oder auch applizierte Kontrastmittel eingeht.The The method described above can be used in particular in the context of patient examinations used in these studies for the Material decomposition the knowledge about the fundamentally in the human or animal body existing base materials, such as Water or soft tissue, bone, air, implant materials or also applied contrast agent is received.

Das Verfahren lässt sich jedoch auch auf unbelebte Gegenstände anwenden. Beispielsweise können hiermit Gegenstände im Rahmen von Sicherheitsuntersuchungen oder Materialprüfungen abgetastet werden. Hierzu ist es dann vorteilhaft als Basismaterialien vorbekannte Materialien, zum Beispiel aus einem Produktionsprozess, zu verwenden oder als Basismaterialien mindestens ein im Gegenstand gesuchtes Material, zum Beispiel Sprengstoff, anzusetzen.The However, procedures can also be applied to inanimate objects apply. For example, hereby objects as part of safety investigations or material testing be scanned. For this it is then advantageous as base materials previously known materials, for example from a production process, or as base materials at least one in the article sought after material, for example explosives.

Zum Rahmen der Erfindung gehört auch ein CT-System zur Abtastung eines Untersuchungsobjektes, aufweisend eine Steuer- und Recheneinheit mit einem Speicher für Computerprogrammcode, wobei im Speicher Computerprogrammcode hinterlegt ist und die Recheneinheit im Betrieb das erfindungsgemäße Verfahren ausführen kann.To the The invention also includes a CT system for scanning an examination object, comprising a control and computing unit with a memory for computer program code, being in memory Computer program code is deposited and the computing unit in operation perform the inventive method can.

Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung not wendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen und Kurzbezeichnungen verwendet:
1: CT-System; 2: erste Röntgenröhre; 3: erster Detektor; 4: zweite Röntgenröhre (optional); 5: zweiter Detektor (optional); 6: Gantrygehäuse; 6.1: Schwenkarm; 7: Patient/Phantom; 8: Untersuchungsliege; 9: Systemachse; 10: Steuer- und Recheneinheit mit optional zusätzlicher EKG-Funktion; 11: Kontrastmittelapplikator; 12: EKG-Leitung; 13: C-Bogen-System; 16.1 bis 16.7: Verfahrensschritte; A: Schwächung; D: Detektor; d: Länge des Projektionswegs durch Objektbereich; D(E): spektrale Empfindlichkeit des Detektors bei der Energie E; E: Energie; I: Strahlungsintensität; I0: Strahlungsintensität ohne Schwächung; k: Konstante; L: Projektionsweg; M: Materialien; MF: Messfeld; O: Objekt; P1–P3: Messpunkte; Prg1–Prgn: Computerprogramme; S: Strahlungsquelle; S1 bis S7: Verfahrensschritte; S(E): Wichtung des Strahlungsspektrums bei der Energie E; Z: Ordnungszahl; Δ: Fehlerwert; γ: Röntgenstrahl; θ: Projektionswinkel; c(r →): lokale Partialdichte; r →, r →': Ortskoordinaten; μ(E, r →): lokale energieabhängige und messspektrumunabhängige Schwächungsfunktion; μ(r →): lokaler mittlerer Schwächungskoeffizient; Ω(E, r →): lokale messspektrumabhängige Wichtungsfunktion. Indizierungen werden konsensbezogen verwendet.
In the following the invention with the help of the figures will be described in more detail, with only the not-to-understand for the understanding of the invention features are shown. The following reference numerals and abbreviations are used:
1 : CT system; 2 : first X-ray tube; 3 : first detector; 4 : second x-ray tube (optional); 5 : second detector (Optional); 6 : Gantry housing; 6.1 : Swivel arm; 7 : Patient / phantom; 8th : Examination couch; 9 : System axis; 10 : Control and processing unit with optional additional ECG function; 11 : Contrast agent applicator; 12 : ECG lead; 13 : C-arm system; 16.1 to 16.7 : Process steps; A: weakening; D: detector; d: length of the projection path through object area; D (E): spectral sensitivity of the detector at energy E; E: energy; I: radiation intensity; I 0 : radiation intensity without weakening; k: constant; L: projection path; M: materials; MF: measuring field; O: object; P1-P3: measuring points; Prg 1 prg n : computer programs; S: radiation source; S 1 to S 7 : method steps; S (E): weighting of the radiation spectrum at the energy E; Z: ordinal number; Δ: error value; γ: X-ray; θ: projection angle; c (r →): local partial density; r →, r → ': location coordinates; μ (E, r →): local energy-dependent and measurement-spectrum-independent attenuation function; μ (r →): local mean attenuation coefficient; Ω (E, r →): local measurement spectrum dependent weighting function. Indexing is consensus-based.

Es zeigen im Einzelnen:It show in detail:

1: CT-System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 : CT system for carrying out the method according to the invention;

2: C-Bogen-System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 2 : C-arm system for carrying out the method according to the invention;

3: Schematische Darstellung der Schwächungsmessung einer Strahlung; 3 : Schematic representation of the attenuation measurement of a radiation;

4: Werteverlauf von messspektrumunabhängigen spezifischen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) über die Energie (= Basisfunktionen); 4 : Value curve of measurement spectrum-independent specific attenuation functions μ (E, r →) over energy (= basis functions);

5: Verlauf von zwei energieabhängigen Wichtungen von Strahlungsspektren Sj(E) über die Energie; 5 : Course of two energy-dependent weights of radiation spectra S j (E) on the energy;

6: Verlauf der spektralen Empfindlichkeit eines beispielhaften Detektors Dj(E) über die Energie; 6 : Path of the spectral sensitivity of an exemplary detector D j (E) via the energy;

7: Verlauf von zwei energieabhängigen Spektralwichtungen Sj(E)·Dj(E) je einer Strahlungs-Detektor-Kombination über die Energie; 7 : Course of two energy-dependent spectral weights S j (E) · D j (E) each of a radiation-detector combination on the energy;

8: Darstellung eines Phantoms mit tatsächlichen Schwächungswerten; 8th : Representation of a phantom with actual attenuation values;

9: CT-Darstellung des Phantoms aus 8 mit Strahlaufhärtungsartefakten; 9 : CT image of the phantom off 8th with beam hardening artifacts;

10: Schematische Darstellung eines Objektes O mit zwei durchdringenden Röntgenstrahlen γ im Projektionswinkel θ und Abstand t(θ, r); 10 : Schematic representation of an object O with two penetrating X-rays γ at the projection angle θ and distance t (θ, r);

11: Flussdiagramm des erfindungsgemäßen LSR-Verfahrens; 11 : Flowchart of the LSR method according to the invention;

12: verschiedene lokale messspektrumabhängige Wichtungsfunktionen Ω(E, r →0) in Abhängigkeit von einer durchdrungenen Wasserschicht mit der spektralen Anfangsgewichtung w(E) des verwendeten Strahlungsspektrums; 12 : different local measurement spectrum-dependent weighting functions Ω (E, r → 0 ) as a function of a penetrated water layer with the initial spectral weighting w (E) of the radiation spectrum used;

13: CT-Darstellung eines Phantoms mit 3 Messpunkten P1–P3; 13 : CT representation of a phantom with 3 measurement points P1-P3;

14: beispielhafte lokale messspektrumabhängige Wichtungsfunktionen Ω(E, r →0) an den Messpunkten P1–P3 der 13 unter Verwendung der Strahlungs-Detektor-Kombination mit 140 kVp-Strahlung aufgetragen über die Energie; 14 : exemplary local measurement spectrum-dependent weighting functions Ω (E, r → 0 ) at the measuring points P1-P3 of the 13 using the radiation detector combination with 140 kVp radiation plotted on the energy;

15: Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Iteration. 15 : Flowchart of the method according to the invention with iteration.

Die 1 zeigt ein beispielhaftes CT-System 1 mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Das CT-System 1 weist ein erstes Röhren-/Detektor-System mit einer Röntgenröhre 2 und einem gegenüberliegenden Detektor 3 auf. Optional kann dieses CT-System 1 über eine zweite Röntgenröhre 4 mit einem gegenüberliegenden Detektor 5 verfügen. Beide Röhren-/Detektor-Systeme befinden sich auf einer Gantry, die in einem Gantrygehäuse 6 angeordnet ist und sich während der Abtastung um eine Systemachse 9 dreht. Der Patient 7 befindet sich auf einer verschiebbaren Untersuchungsliege 8, die ent weder kontinuierlich oder sequentiell entlang der Systemachse 9 durch das im Gantrygehäuse 6 befindliche Messfeld MF geschoben wird, wobei die Schwächung der von den Röntgenröhren ausgesandten Röntgenstrahlung durch die Detektoren gemessen wird.The 1 shows an exemplary CT system 1 with which the method according to the invention can be carried out. The CT system 1 shows a first tube / detector system with an x-ray tube 2 and an opposite detector 3 on. Optionally, this CT system 1 via a second x-ray tube 4 with an opposite detector 5 feature. Both tube / detector systems are located on a gantry in a gantry housing 6 is arranged and during the scan around a system axis 9 rotates. The patient 7 is located on a movable examination couch 8th that are either continuous or sequential along the system axis 9 through the gantry housing 6 the measuring field MF is pushed, wherein the weakening of the X-ray emitted by the X-ray tubes by the detectors is measured.

Während der Messung kann dem Patienten 7 mit Hilfe eines Kontrastmittelapplikators 11 auch ein Kontrastmittelbolus injiziert werden, so dass Blutgefäße besser erkennbar werden oder eine Perfusionsmessung durchgeführt werden kann. Bei Cardioaufnahmen kann zusätzlich, mit Hilfe einer EKG-Leitung 12, die Herztätigkeit gemessen werden und eine EKG-gegatete Abtastung durchgeführt werden.While the measurement can be patient 7 with the help of a contrast agent applicator 11 Also, a contrast agent bolus be injected so that blood vessels can be better recognized or a perfusion measurement can be performed. In cardio recordings may additionally, with the help of an ECG lead 12 , cardiac activity is measured and an ECG gated scan is performed.

Die Steuerung des CT-Systems erfolgt mit Hilfe einer Steuer- und Recheneinheit 10, in der sich Computerprogramme Prg1 bis Prgn befinden, die auch das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren durchführen können. Zusätzlich kann über diese Steuer- und Recheneinheit 10 auch die Ausgabe von Bilddaten erfolgen.The control of the CT system is carried out with the aid of a control and processing unit 10 , in which there are computer programs Prg 1 to Prg n , which can also carry out the method according to the invention described above. In addition, via this control and processing unit 10 also the output of image data takes place.

Bei diesem CT-System mit zwei separaten Röntgenquellen kann beispielsweise eine Röntgenröhre mit einer Beschleunigungsspannung von 80 kVp und die andere Röntgenröhre mit 140 kVp betrieben werden. Hierdurch ergeben sich bei den Messungen unterschiedliche Spektralgewichtungen, die – bei gleicher spektraler Empfindlichkeit der verwendeten Detektoren – aus den unterschiedlichen Röntgenspektren der beiden Röntgenröhren stammen. Alternativ besteht allerdings auch die Möglichkeit, bei beiden Röntgenröhren das gleiche Strahlungsspektrum zu verwenden, allerdings für unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit der Detektoren zu sorgen. Auch eine Kombination beider Maßnahmen ist möglich.at this CT system with two separate x-ray sources For example, an X-ray tube with an acceleration voltage of 80 kVp and the other x-ray tube with 140 kVp operated. This results in different measurements Spectral weightings, which - with the same spectral sensitivity the detectors used - from the different X-ray spectra of the two x-ray tubes come. Alternatively, however, it is also possible in both x-ray tubes the same radiation spectrum to use, but for different spectral Sensitivity of the detectors. Also a combination Both measures are possible.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in Verbindung mit einem C-Bogen-System 13 eingesetzt werden, wie es in der 2 gezeigt ist. Das hier dargestellte C-Bogen-System 13 verfügt ebenfalls über eine Röntgenröhre 2 mit einem gegenüberliegenden flächig ausgebildeten Detektor 3. Beide Systeme sind mit Hilfe eines Schwenkarms 6.1, der an einem Gehäuse 6 befestigt ist, in beliebiger Stellung um den Patienten 7 zu schwenken und tasten ein Messfeld ab. Der Patient 7 befindet sich auf einer Patientenliege 8, die zusätzlich über ein Kontrastmittelapplikationssystem 11 verfügt, um gegebenenfalls zur Darstellung von Blutgefäßen Kontrastmittel zu injizieren. Gesteuert wird das System über eine Steuer- und Recheneinheit 10, die in ihrem Speicher Computerprogramme Prg1 bis Prgn aufweist, die unter anderem auch das erfindungsgemäße Verfahren zur Bildverarbeitung durchführen können. Messungen mit unterschiedlichen Spektralgewichtungen können beispielsweise durch die Verwendung eines energiespezifischen Detektorsystems verwirklicht werden.The method according to the invention can also be used in conjunction with a C-arm system 13 be used as it is in the 2 is shown. The C-arm system shown here 13 also has an x-ray tube 2 with an opposing planar detector 3 , Both systems are using a swivel arm 6.1 which is attached to a housing 6 is attached, in any position around the patient 7 to pan and scan a measurement field. The patient 7 is on a patient bed 8th additionally using a contrast agent application system 11 to inject contrast media, if necessary, to visualize blood vessels. The system is controlled by a control and processing unit 10 , which has in its memory computer programs Prg 1 to Prg n , which can also perform, among other things, the inventive method for image processing. Measurements with different spectral weights can be realized, for example, by the use of an energy-specific detector system.

Beide zuvor beschriebenen Systeme eignen sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, dessen Grundlagen nun beschrieben werden.Both previously described systems are suitable for carrying out of the method according to the invention, the bases thereof will now be described.

In 3 ist der Standardaufbau einer Röntgenstrahlen-Schwächungsmessung schematisch dargestellt. Es ist eine Röntgenquelle S gezeigt, die einen Röntgenstrahl auf einen Detektor D ausstrahlt. Oben ist der Weg eines Röntgenstrahls γ von der Quelle S zum Detektor D frei und es wird eine Strahlungsintensität I0 gemessen. Im unteren Teil der 3 befindet sich ein Objekt O im Strahlengang, wodurch die Strahlung geschwächt wird, so dass am Detektor D eine geringere Intensität I gemessen wird.In 3 the schematic structure of an X-ray attenuation measurement is shown schematically. An X-ray source S is shown which emits an X-ray beam onto a detector D. At the top, the path of an X-ray γ from the source S to the detector D is free and a radiation intensity I 0 is measured. In the lower part of the 3 is an object O in the beam path, whereby the radiation is weakened, so that at the detector D a lower intensity I is measured.

Die Schwächung A = I/I0 wird durch die Schwächungsfunktion μ(E, r →) bezogen auf die verwendete Energie E am Ort r → beschrieben. Typische Materialbeispiele für μ(E, r →) sind in der 4 beispielhaft gezeigt.The attenuation A = I / I 0 is described by the attenuation function μ (E, r →) with respect to the energy E used at the location r →. Typical material examples for μ (E, r →) are in 4 shown by way of example.

Der Detektor D registriert also die aus dem Objekt kommenden Quanten. Es wird jeweils eine Messung mit Objekt und eine oh ne Objekt durchgeführt. Aus den resultierenden Intensitäten I und I0 ergibt sich die Schwächung A = I/I0 ∊ [0; 1]. Sie beschreibt somit den relativen Intensitätsabfall durch den Röntgenstrahlenschwächungsprozess im Objekt.The detector D thus registers the quanta coming from the object. In each case, a measurement with object and an object is performed. From the resulting intensities I and I 0 , the attenuation A = I / I 0 ε [0; 1]. It thus describes the relative intensity drop through the X-ray attenuation process in the object.

Hierbei muss zwischen monoenergetischen und polychromatischen Röntgenquellen S unterschieden werden.

  • a) Für monoenergetische Anfangsenergie E0 der Röntgenquanten ist die Schwächung A(m)
    Figure 00120001
    Hierbei ist der monoenergetische Schwächungskoeffizient μ (m)(r →) gleichwertig mit μ(E, r →).
  • b) Für polychromatische Röntgenquellen, was Röntgenröhren im Allgemeinen sind, wird mit einem Spektrum, genauer einer spektralen Wichtung S(E) eines Strahlungsspektrums, für die Anfangsenergie gerechnet. Zwei beispielhafte Spektren sind in der 5 für eine Röntgenröhre mit 80 kVp und eine Röntgenröhre mit 140 kVp dargestellt. Die gemessene Schwächung A berechnet sich damit gemäß
    Figure 00120002
    mit der spektralen Gewichtungsfunktion
    Figure 00120003
Here, a distinction must be made between monoenergetic and polychromatic X-ray sources S.
  • a) For monoenergetic initial energy E 0 of the X-ray quanta, the weakening A (m)
    Figure 00120001
    Here is the monoenergetic attenuation coefficient μ (m) (r →) is equivalent to μ (E, r →).
  • b) For polychromatic X-ray sources, which are X-ray tubes in general, a spectrum, more precisely a spectral weighting S (E) of a radiation spectrum, is calculated for the initial energy. Two exemplary spectra are in the 5 for an 80 kVp x-ray tube and a 140 kVp x-ray tube. The measured attenuation A is thus calculated according to
    Figure 00120002
    with the spectral weighting function
    Figure 00120003

Die Detektorempfindlichkeit D(E) beschreibt hier die spektrale Gewichtung des Detektors. Für einen ideal integrierenden Detektor kann man annehmen, dass D(E) = E gilt. Für diese Messungen geeignete Detektoren haben allerdings eine sehr aufwendige Struktur und müssen exakt berechnet oder ausgemessen werden. Ein typischer Empfindlichkeitsverlauf D(E) eines Gd2O2S-Szintillations-Detektors, wie er allgemein in Verbindung mit kommerziellen CT-Systemen verwendet wird, ist in 6 gezeigt. Die 7 zeigt die, entsprechend Gleichung (3) berechnete, spektrale Gewichtungsfunktion w(E) mit S(E) und D(E) aus den 5 und 6.The detector sensitivity D (E) describes here the spectral weighting of the detector. For an ideally integrating detector one can assume that D (E) = E. However, suitable detectors for these measurements have a very complex structure and must be calculated or measured accurately. A typical sensitivity curve D (E) of a Gd 2 O 2 S scintillation detector, as commonly used in conjunction with commercial CT systems, is in 6 shown. The 7 shows the spectral weighting function w (E) calculated according to equation (3) with S (E) and D (E) from the 5 and 6 ,

Medizinische und industrielle CT-Systeme verwenden normalerweise Röntgenröhren als Emissionsquelle. Die 5 zeigt die typischen Spektren für Beschleunigungsspannungen von 80 kVp und 140 kVp eines medizinisch genutzten Systems. Der CT-Messprozess zur Erzeugung von Projektionsdaten wird mit der Gleichung (2) korrekt beschrieben. Allerdings werden in den Standard-CT-Messungen keine energieaufgelösten Schwächungswerte gemessen, sondern über die Energie integrierte Schwächungen über das gesamte Spektrum ermittelt. Daraus können auch keine Bilddaten berechnet werden, die μ(E, r →) als Bildwerte darstellen. Hierzu wären spektral aufgelöste Sinogrammdatensätze Ai(E) erforderlich.Medical and industrial CT systems usually use X-ray tubes as the emission source. The 5 shows the typical spectra for acceleration voltages of 80 kVp and 140 kVp of a medical system. The CT measuring process for generating projection data is correctly described by the equation (2). However, in the standard CT measurements, no energy-resolved attenuation values are measured, but energy-integrated attenuation across the entire spectrum is determined. From this, no image data can be calculated that represent μ (E, r →) as image values. For this purpose, spectrally resolved sinogram data sets A i (E) would be required.

In der Single-Energy-CT führt dieser Konflikt zu einer üblichen Näherung. Die Radon-Transformation und ihre Inverse gehen von den physikalischen Grundlagen der linearen Röntgenstrahlung aus, um die lokalen effektiven Schwächungskoeffizienten μ(r →) des Untersuchungsobjektes zu rekonstruieren. Die Fehler aus der Abschätzung werden gewöhnlich als „Strahlaufhärtungsartefakte” bezeichnet. Das zu Grunde liegende Modell setzt voraus, dass die Gleichung (1) als Abschätzung für die effektive μ(r →) verwendet werden darf. Für die Röntgenstrahlung, die das Objekt durchläuft, wird eine mittlere detektierte Energie <E> angenommen. Wenn die Röntgenquanten dicke Bereiche oder Bereiche mit hoher Ordnungszahl Z durchlaufen, wie zum Beispiel Knochen, nimmt diese mittlere Energie der detektierten Röntgenquanten um einige keV in Abhängigkeit von den Absorptionseigenschaften zu. In der 12 ist die Aufhärtung des Strahlungsspektrums und damit auch der mittleren Energie einer Strahlung in Abhängigkeit von unterschiedlich dicken Wasserschichten dargestellt. Das Strahlspektrum wird also „gehärtet” und folglich werden rekonstruierte μ(r →) der mittleren Energie <E> des primären Spektrums S(E) unterschätzt.In single-energy CT, this conflict leads to a common approximation. The radon transformation and its inverse start from the physical basics of linear X-rays to the local effective attenuation coefficients μ (r →) of the object to be reconstructed. The errors from the estimation are commonly referred to as "beam hardening artifacts". The underlying model assumes that equation (1) is an estimate of the effective μ (r →) may be used. For the X-ray radiation that passes through the object, a mean detected energy <E> is assumed. When the X-ray quanta pass through thick regions or regions of high atomic number Z, such as bone, this increases the mean energy of the detected X-ray quanta by a few keV as a function of the absorption properties. In the 12 is the hardening of the radiation spectrum and thus also the average energy of a radiation as a function of different thicknesses of water shown. The beam spectrum is thus "hardened" and consequently reconstructed μ (r →) of the mean energy <E> of the primary spectrum S (E) is underestimated.

Der Fehler in der Abschätzung kann analytisch bestimmt werden. Es lässt sich zeigen, dass Gleichung (2) auch wie folgt geschrieben werden kann:

Figure 00140001
The error in the estimate can be determined analytically. It can be shown that equation (2) can also be written as follows:
Figure 00140001

Mit dem Fehlerterm

Figure 00140002
lässt sich der effektive Schwächungskoeffizient wie folgt beschreiben:
Figure 00140003
With the error term
Figure 00140002
the effective attenuation coefficient can be described as follows:
Figure 00140003

Der Fehler erster Ordnung R aus Gleichung (4) führt zu einer Überschätzung von A und einer konsequenten Unterschätzung des spektral gewichteten Schwächungskoeffizienten μ(r →) im rekonstruierten Bild. Die 9 zeigt ein typisches Beispiel einer CT-Darstellung eines in der 8 gezeigten Phantoms in der medizinischen CT. In der CT-Darstellung des Phantoms zeigen sich die bekannten typischen Strahlaufhärtungsartefakte einer Schüsselung und eines „Tunneleffektes” zwischen den Knochenphantomen.The first order error R from equation (4) leads to an overestimation of A and a consequent underestimation of the spectrally weighted attenuation coefficient μ (r →) in the reconstructed image. The 9 FIG. 16 shows a typical example of a CT representation of one in FIG 8th shown phantom in medical CT. The CT image of the phantom shows the well-known typical beam hardening artifacts of a wedge and a "tunneling effect" between the bone phantoms.

Bekannte Strahlungsaufhärtungskorrekturen mildern diese Artefakte in der praktischen Single-Energy-CT durch Korrektur der gemessenen Schwächung Ai. Dabei wird die Länge des abschwächenden Materials im Strahlweg ermittelt und die daraus erfolgte Energieverschiebung der mittleren Energie ausgeglichen. Mit diesem Algorithmus werden gewöhnlich gute Ergebnisse bei der Darstellung weichen Gewebes in medizinischen CTs erzielt. Allerdings zielen solche Maßnahmen nicht darauf ab, die quantitative absolute Genauigkeit von rekonstruierten CT-Werten zu erhalten.Known radiation hardening corrections mitigate these artifacts in practical single-energy CT by correcting the measured attenuation A i . The length of the attenuating material in the beam path is determined and compensated for the resulting energy shift of the average energy. This algorithm usually gives good results in imaging soft tissue in medical CTs. However, such measures are not aimed at obtaining the quantitative absolute accuracy of reconstructed CT values.

Die 10 zeigt eine Standardprojektionsgeometrie in einem CT-System. In der Parallelprojektionsgeometrie wird ein Strahl durch den Projektionswinkel θ und seinen Kanalabstand t zum Mittelpunkt des CT-Detektors beschrieben. Daraus folgt die typische Projektionsformel

Figure 00150001
mit dem Vorwärtsprojektionsoperator P{.} und der Abkürzung der räumlichen Pfadintegration
Figure 00150002
mit lθ,t(α) dem Projektionspfad durch das Objekt zum Rotationswinkel θ, dem Detektorkanal t und dem Linienparameter α für die Pfadintegration.The 10 shows a standard projection geometry in a CT system. In parallel projection geometry, a ray is described by the projection angle θ and its channel distance t to the center of the CT detector. From this follows the typical projection formula
Figure 00150001
with the forward projection operator P {.} and the abbreviation of the spatial path integration
Figure 00150002
with l θ, t (α) the projection path through the object to the rotation angle θ, the detector channel t and the line parameter α for the path integration.

Der rekonstruierte lokale mittlere Schwächungskoeffizient wird dargestellt als μ(r →) = R–1{P{μ(E, r →)}} (9)mit dem inversen Radon-Transformationsoperator R–1{.}.The reconstructed local mean attenuation coefficient is displayed as μ (r →) = R -1 {P {μ (E, r →)}} (9) with the inverse radon transformation operator R -1 {.}.

Durch Einsetzen eines Faktors

Figure 00160001
in die Gleichung (9) und unter Berücksichtigung der Bedingung, dass P{μ(E, r →)} unabhängig von E ist, erhält man die Gleichung
Figure 00160002
By inserting a factor
Figure 00160001
in equation (9), and taking into account the condition that P {μ (E, r →)} is independent of E, the equation is obtained
Figure 00160002

Die Erweiterung der Gleichung (10) um den Faktor

Figure 00160003
führt zuThe expansion of equation (10) by the factor
Figure 00160003
leads to

Figure 00160004
Figure 00160004

Dieser Ausdruck kann umgeformt werden in

Figure 00160005
mit der lokalen Wichtungsfunktion
Figure 00160006
This expression can be transformed into
Figure 00160005
with the local weighting function
Figure 00160006

Die Gleichung (11) verknüpft also die spektrale Schwächungsfunktion μ(E, r →) mit dem gemessenen, gewichteten Schwächungskoeffizienten μ(r →). Daraus folgt eine auf Bilddaten basierende Beschreibung des Messverfahrens in der CT und des Rekonstruktionsprozesses.Equation (11) thus combines the spectral attenuation function μ (E, r →) with the measured, weighted attenuation coefficient μ (r →). This is followed by an image data based description of the measurement method in the CT and the reconstruction process.

Die lokale Wichtungsfunktion Ω(E, r →) aus der Gleichung (13) beschreibt die effektive spektrale Gewichtung an einer beliebigen Objektposition. Sie ist abhängig von der spektralen Schwächungsfunktion des gescannten Objektes μ(E, r →), dem Bilddatenrekonstruktionsprozess R–1{.} und dem Messprozess, der durch den Operator P{.} beschrieben wird. Die Wichtungsfunkti on w(E) ergibt sich aus der Wichtungsfunktion des Systems in Gleichung (3).The local weighting function Ω (E, r →) from equation (13) describes the effective spectral weighting at any object position. It depends on the spectral attenuation function of the scanned object μ (E, r →), the image data reconstruction process R -1 {.} And the measurement process described by the operator P {.}. The weighting function w (E) results from the weighting function of the system in equation (3).

In der praktischen Anwendung der CT werden nur gewichtete Schwächungskoeffizienten μ(r →) gemessen. Um die lokale Wichtungsfunktion zu berechnen, wird eine Abschätzung der spektralen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) in Anhängigkeit der Eingangsdaten benötigt. Aus einem Dual-Energy-Scan ergeben sich zwei Abschwächungsdatensätze μ 1(r →) und μ 2(r →). Die Basis-Material-Zerlegung wird in einer auf Bilddatensätzen basierenden Form angewendet, um die Parametrisierung von μ(E, r →) zu erhalten. Dieser Ansatz wird beschrieben durch

Figure 00170001
In the practical application of CT only weighted attenuation coefficients μ (r →) measured. In order to calculate the local weighting function, an estimate of the spectral attenuation functions μ (E, r →) depending on the input data is needed. A dual energy scan results in two attenuation data sets μ 1 (r →) and μ 2 (r →). The base material decomposition is applied in an image data set based form to obtain the parameterization of μ (E, r →). This approach is described by
Figure 00170001

Dieser Ausdruck separiert die energieabhängige Basisfunktion fj(E) von den ortsabhängigen Koeffizienten cj(r →). Die typischen Werte der Basisfunktion in der medizinischen Anwendung der CT ist eine Kombination aus den massenabhängigen Schwächungsfunktionen von Wasser- und Knochen. Aus Gleichung (12) folgt

Figure 00170002
wobei die Elemente der Matrix K ausgedrückt werden durchThis expression separates the energy-dependent basis function f j (E) from the location-dependent coefficients c j (r →). The typical values of the basic function in the medical application of CT is a combination of the mass-dependent attenuation functions of water and bone. From equation (12) follows
Figure 00170002
wherein the elements of the matrix K are expressed by

Figure 00170003
Figure 00170003

Die Gleichung (15) ist mit den Koeffizienten cj(r →) durch Invertieren der Matrix K einfach lösbar. Allerdings müssen auch die zirkularen Abhängigkeiten K → cj(r →) → μ(E, r →) → Ωi(E, r →) → K aufgelöst werden. Dies führt zu einem zweiphasigen iterativen Verfahren gemäß dem Flussdiagramm in 11. Hier wird zunächst im Verfahrensschritt S1 die anfängliche lokale Wichtungsfunktion geschätzt, indem Ω(k=0)i (E, r →) = w(E) gesetzt wird. Beispielsweise kann dies aus der Kenntnis der ebenfalls anfangs vorliegenden CT-Darstellung mit den gemessenen und rekonstruierten mittleren lokalen Schwächungskoeffizienten μ(r →) im Verfahrensschritt S2 geschätzt werden. Aus den beiden Ergebnissen der Schritte S1 und S2 erfolgt eine erste Schätzung der lokalen Massenschwächungsfunktionen μ(E, r →) im Schritt S3. Hieraus ergibt sich die Berechnung der lokalen Wichtungsfunktionen Ω(E, r →) im Schritt S4. Außerdem können aus der Kenntnis der lokalen Massenschwächungsfunktionen μ(E, r →) und einem vorbestimmten gewünschten Spektrum im Schritt S7 auf erfindungsgemäße Weise die lokalen gewichteten Schwächungskoeffizienten des betrachteten Objektes bezüglich des beliebigen angenommenen Spektrums berechnet und als CT-Darstellung ausgegeben werden. Soll das Verfahren zur Optimierung iterativ durchgeführt werden, so können diese Schritte nach einer Entscheidung im Schritt S5 beliebig oft gemäß dem gezeigten Flussschema wiederholt werden, wobei im Schritt S6 die zuletzt berechnete lokale Wichtungsfunktion ausgegeben wird. Auf diese Weise erfolgt bei jedem k-ten Iterationsschritt erneuert die Abschätzung von μ(k)j (E, r →) und Ω(k)j (E, r →). The equation (15) is easily solvable with the coefficients c j (r →) by inverting the matrix K. However, the circular dependencies K → cj (r →) → μ (E, r →) → Ω i (E, r →) → K must also be resolved. This leads to a two-phase iterative method according to the flowchart in FIG 11 , Here, first in method step S 1, the initial local weighting function is estimated by Ω (K = 0) i (E, r →) = w (E) is set. For example, this may be the result of the knowledge of the initially present CT display with the measured and reconstructed average local attenuation coefficients μ (r →) are estimated in method step S 2 . From the two results of steps S1 and S2, a first estimation of the local mass attenuation functions μ (E, r →) takes place in step S 3 . This results in the calculation of the local weighting functions Ω (E, r →) in step S 4 . In addition, from the knowledge of the local mass attenuation functions μ (E, r →) and a predetermined desired spectrum in step S 7 according to the invention, the local weighted attenuation coefficients of the object under consideration with respect to the arbitrary assumed spectrum can be calculated and output as a CT representation. If the method for optimization is to be carried out iteratively, these steps can be repeated as often as desired according to the flow diagram shown after a decision in step S 5 , wherein the last calculated local weighting function is output in step S 6 . In this way, at every k th iteration step, the estimation of μ (K) j (E, r →) and Ω (K) j (E, r →).

Dieses Verfahren wird hier als Lokale Spektrale Rekonstruktion (LSR) bezeichnet. Es führt zu einer Abschätzung sowohl der lokalen Wichtungsfunktion als auch der Schwächungsfunktionen μ(E, r →). Das LSR-Verfahren kann auf spektrale Vielkanal-CT und Basis-Material-Zerlegung übertragen werden, zum Beispiel bei einer Anzahl von N > 2 spektralen Kanälen und einer Anzahl M <= N Basismaterialien. Für die Single-Energy-CT kann μ(E, r →) aus einem energiegewichteten effektiven Schwächungskoeffizienten μ(r →) abgeschätzt werden.This method is referred to herein as Local Spectral Reconstruction (LSR). It leads to an estimation of both the local weighting function and the attenuation functions μ (E, r →). The LSR method can be transferred to multichannel spectral CT and base material decomposition, for example, with a number of N> 2 spectral channels and a number M <= N base materials. For single-energy CT, μ (E, r →) can be calculated from an energy-weighted effective attenuation coefficient μ (r →) can be estimated.

Aus dem LSR-Verfahren gemäß den Gleichungen (12) und (13) ergibt sich eine Abschätzung der lokalen Wichtungsfunktion und der tatsächlichen Genauigkeit der spektralen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) des Objektes. Die Information aus der lokalen Wichtungsfunktion gibt ein tieferes Verständnis des Energie gewichtungsprozesses in der CT-Bildgebung. Für die quantitative Anwendung der spektralen CT sind die daraus erhaltenen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) das Hauptergebnis. Die dazugehörigen Parameter wie Basismaterialkoeffizienten können grafisch dargestellt werden oder für bestimmte Diagnosefragestellungen analysiert werden.Out the LSR method according to the equations (12) and (13) gives an estimate of the local weighting function and the actual accuracy of the spectral attenuation functions μ (E, r →) of the Object. The information from the local weighting function gives a deeper understanding of the energy weighting process in CT imaging. For the quantitative application of Spectral CT are the resulting attenuation functions μ (E, r →) the main result. The associated parameters such as base material coefficients can be graphed or for specific Diagnosis questions are analyzed.

Es ist wichtig anzumerken, dass die Schwächungsfunktion μ(E, r →) theoretisch von den Schwächungseffekten des Objektes, den Eigenschaften der Rekonstruktion und dem Messverfahren nicht beeinflusst werden. Beispielsweise kann so der Kern der Rekonstruktion von Dual-Energy-Messungen berücksichtigt werden. Hierdurch kann die Pixelregistrierung zwischen den Datensätzen verbessert werden.It it is important to note that the attenuation function μ (E, r →) theoretically of the weakening effects of the object, the Properties of the reconstruction and the measuring method not affected become. For example, so can the core of the reconstruction of dual-energy measurements be taken into account. This allows pixel registration between the records.

In der Praxis sind exakte Beschreibungen der Wichtungsfunktion w(E) und dem Messoperators P{.} nötig, um quantitative Ergebnisse zu gewährleisten. Es ist zu bemerken, dass sich aus dem Rekonstruktionsoperator R–1{.} sowohl die Bildrekonstruktion als auch die Berechnung der lokalen Wichtungsfunktion ergibt. Davon abgesehen gibt es keine weiteren Effekte bezüglich der Genauigkeit und Präzision von μ(E, r →).In practice, exact descriptions of the weighting function w (E) and the measurement operator P {.} Are necessary to ensure quantitative results. It should be noted that the reconstruction operator R -1 {.} Yields both the image reconstruction and the calculation of the local weighting function. That being said, there are no further effects on the accuracy and precision of μ (E, r →).

Grundsätzlich bestehen einige unterschiedliche Ziele der oben dargelegten erfindungsgemäßen Gewichtung:
Sie kann für Strahlaufhärtungskorrekturen verwendet werden, um beispielsweise eine konstante Systemgewichtungsfunktion (SWF) eines Bilddatensatzes zu erhalten, wie es in der 5 für w(E) einer CT-Messung für 80 kVp und 140 kVp Röhrenspannung gezeigt ist.
Basically, there are several different objectives of the inventive weighting set forth above:
It can be used for beam hardening corrections, for example, to obtain a constant system weighting (SWF) function of an image data set as described in US Pat 5 for w (E) CT measurement for 80 kVp and 140 kVp tube voltage is shown.

Weiterhin können monoenergetische Kalibrierungen mit einer durch wc(E) = δ(E – E0) gegebenen Zielgewichtungsfunktion durchgeführt werden. Eine Anwendung dieser monoenergetischen Schwächungskoeffizienten stellt die Kontraststeigerung bei Bilddifferenzen von speziellem Gewebe dar.Furthermore, monoenergetic calibrations can be performed with a target weighting function given by w c (E) = δ (E - E 0 ). One application of these monoenergetic attenuation coefficients is the contrast enhancement in image differences of particular tissue.

Aufgrund der umlaufenden Abtastung in der CT ergibt sich also für jeden Punkt r → im Objekt eine einzige energieabhängige Gewichtungsfunktion. Diese Funktion Ω(E, r →) ist also unabhängig vom durchlaufenen Pfad eines Strahls oder einer Strahlrichtung.by virtue of the circumferential scan in the CT thus results for every point r → in the object a single energy-dependent weighting function. This function Ω (E, r →) is thus independent of traversed path of a beam or beam direction.

Die lokale spektrale Wichtungsfunktion Ω(E, r →) beschreibt also für jeden Ort r → der rekonstruierten Bilddaten, die die Schwächungswerte μ(r →) darstellen, die dort wirksame spektrale Wichtung. Sie bildet den Mittelwert der spektralen Wichtungen der tomografischen Abtastwege ab, die bei der Erzeugung der zugehörigen μ(r →)-Daten vorliegen. Ω(E, r →) lässt sich exakt aus den energieabhängigen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) berechnen.The local spectral weighting function Ω (E, r →) thus describes for each location r → the reconstructed image data that contains the attenuation values μ (r →) represent the spectral weighting effective there. It maps the mean of the spectral weights of the tomographic scan paths used in the generation of the associated scan paths μ (r →) data are available. Ω (E, r →) can be calculated exactly from the energy-dependent attenuation functions μ (E, r →).

Die Gleichung (12) verbindet die rekonstruierten Bilddaten, die die effektiven Schwächungskoeffizienten μ(r →) wiedergeben, mit der energieabhängigen Schwächungsfunktion μ(E, r →). Die Struktur von Gleichung (12) ähnelt dem Ergebnis der linearen Abschätzung. Die globale Gewichtungsfunktion w(E) wird dabei durch die lokale Gewichtungsfunktion Ω(E, r →) ersetzt. Gleichung (12) ist an sich eine exakte Formel. Allerdings hat sie intrinsische Eigenschaften, zum Beispiel setzt die lokale Gewichtungsfunktion Ω(E, r →) die Kenntnis von μ(E, r →) des gesamten Objektes voraus.Equation (12) combines the reconstructed image data representing the effective attenuation coefficients μ (r →), with the energy-dependent attenuation function μ (E, r →). The structure of equation (12) is similar to the result of the linear estimation. The global weighting function w (E) is replaced by the local weighting function Ω (E, r →). Equation (12) is itself an exact formula. However, it has intrinsic properties, for example, the local weighting function Ω (E, r →) requires the knowledge of μ (E, r →) of the entire object.

Die lokale Gewichtungsfunktion Ω(E, r →) kann aus einem Raumintegral über μ(E, r →) in polaren oder kartesischen Koordinaten berechnet werden.The local weighting function Ω (E, r →) can be calculated from a space integral over μ (E, r →) be calculated in polar or Cartesian coordinates.

Wird beispielsweise die lokale Gewichtungsfunktion Ω(E, r →) für im Zentrum r0 eines wässrigen Objektes mit einem bestimmten Durchmesser berechnet, wobei als Strahlungsspektrum S2(E) das 140 kVp-Spektrum einer Röntgenröhre gemäß 5 und die spektrale Empfindlichkeit D(E) eines integrierenden GdOS-Detektors gemäß 6 angenommen wird, so ergibt sich eine resultierende Ω(E, r →0) wie in 12 für unterschiedlichen Durchmesser des wässrigen Objektes gezeigt. Mit wachsendem Durchmesser, hier 10 cm, 20 cm, 30 cm und 40 cm, verschiebt sich die Energiegewichtung Ω(E, r →0) zu höheren Energien.If, for example, the local weighting function Ω (E, r →) for the center r 0 of an aqueous object with a specific diameter is calculated, the radiation spectrum S 2 (E) being the 140 kVp spectrum of an x-ray tube according to 5 and the spectral sensitivity D (E) of an integrating GdOS detector according to 6 is assumed, the result is a resulting Ω (E, r → 0 ) as in 12 shown for different diameter of the aqueous object. With increasing diameter, here 10 cm, 20 cm, 30 cm and 40 cm, the energy weighting Ω (E, r → 0 ) shifts to higher energies.

Eine spektrale Rekonstruktion wird wie folgt durchgeführt.A spectral reconstruction is performed as follows.

1. Spektrale Messung1. Spectral measurement

Es werden J CT-Messungen mit unterschiedlichen spektralen Gewichtungen wj(E), j = 1, 2, ... J durchgeführt. Beispielsweise kann es sich dabei um Dual-Energy-Scans (J = 2) mit einer Röntgenröhreneinstellung von 80 kVp und 140 kVp für zwei separate Scans handeln. Die so entstandenen Sinogramme können mit Hilfe allgemein bekannter Rekonstruktionsalgorithmen, beispielsweise einer gefilterten Rückprojektion, zu Bilddatensätzen rekonstruiert werden. Man erhält somit J verschiedene Bilddatensätze aus den lokalen spektral gewichteten und messspektrumabhängigen Schwächungswerten μ j(r →). Die rekonstruierten Datensätze enthalten Strahlaufhärtungseffekte.J CT measurements with different spectral weights w j (E), j = 1, 2, ... J are performed. For example, these can be dual energy scans (J = 2) with an x-ray tube setting of 80 kVp and 140 kVp for two separate scans. The resulting sinograms can be reconstructed into image data sets with the aid of generally known reconstruction algorithms, for example a filtered backprojection. One thus obtains J different image data sets from the local spectrally weighted and measurement spectrum-dependent attenuation values μ j (r →). The reconstructed datasets contain beam hardening effects.

2. Berechnung der lokalen Schwächung2. Calculation of the local weakening

Zur Berechnung der messspektrumabhängigen Wichtungsfunktionen Ω(E, r →) benötigt man das Röntgenröhrenspektrum S(E), die Detektorantwortfunktion D(E) und die anfängliche Abschätzung der energieabhängigen Schwächungsfunktionen μ(0)(E, r →). Sowohl das Röntgenröhrenspektrum S(E) als auch die Detektorantwortfunktion D(E) können aus Simulationen oder direkten Messungen mit einem kalibrierten Detektor erhalten werden. Die anfängliche Abschätzung der messspektrumunabhängigen Schwächungsfunktionen μ(0)(E,

Figure 00210001
) kann aus den Bilddatensätzen aus Schritt 1 geschätzt werden. In medizinischen CTs kann zum Beispiel durch eine Segmentierung durch Grenzwertbildung von μ j(r →) oder eine Basismaterialzerlegung eine Separation in zwei Hauptschwächungen, beispielsweise Wasser und Knochen, erzeugen. Die resultierende Anfangsschwächung gibt eine erste Abschätzung der messspektrumabhängigen Wichtungsfunktionen Ω(0)(E, r →) entsprechend den Gleichungen (11) und (12).The calculation of the spectrometry-dependent weighting functions Ω (E, r →) requires the X-ray tube spectrum S (E), the detector response function D (E) and the initial estimation of the energy-dependent attenuation functions μ (0) (E, r →). Both the X-ray tube spectrum S (E) and the detector response function D (E) can be obtained from simulations or direct measurements with a calibrated detector. The initial estimation of the measurement spectrum-independent attenuation functions μ (0) (E,
Figure 00210001
) can be estimated from the image data sets from step 1. In medical CTs, for example, segmentation can be done by thresholding μ j (r →) or a base material decomposition produce a separation into two major weakenings, for example, water and bone. The resulting initial attenuation gives a first estimate of the measurement spectrum dependent weighting functions Ω (0) (E, r →) according to equations (11) and (12).

3. Rekonstruktion der lokalen energieabhängigen Schwächung3. Reconstruction of the local energy-dependent weakening

Zusammen mit μ j(r →) aus Schritt 1 und Ω(0)(E, r →) aus Schritt 2 kann aus Gleichung (13) die Parametrisierung der energieabhängigen Schwächungsfunktionen μ(1)(E, r →) berechnet werden. Hierfür wird eine an sich bekannte Basismaterialzerlegung, allerdings auf der Basis der, von der Messstrahlung und ihrem Spektrum und spektralen Wichtung im Detektor unabhängigen, und damit messspektrumunabhängigen Schwächungsfunktion μ(1)(E, r →) verwendet. Zum Beispiel erzeugt eine Dual-Energy-Basismaterialzerlegung M = 2 Konzentrationen von Wasser und Knochen.Along with μ j (r →) from step 1 and Ω (0) (E, r →) from step 2, the parameterization of the energy-dependent attenuation functions μ (1) (E, r →) can be calculated from equation (13). For this purpose, a base material decomposition known per se is used, but on the basis of the attenuation function μ (1) (E, r →) independent of the measuring radiation and its spectrum and spectral weighting in the detector, and thus independent of the spectra. For example, a dual energy basal material decomposition generates M = 2 concentrations of water and bone.

4. Iteration4th iteration

Mit der, gegenüber μ(0)(E, r →), präziseren Information über die lokalen energieabhängigen Schwächungsfunktion μ(1)(E, r →) aus Schritt 3, kann man zu Schritt 2 zurückkehren und einen aktuelleren Wert Ω(1)(E,

Figure 00220001
) berechnen. Somit ergibt sich ein stetiger iterativer Prozess. Aufgrund der langsam variierenden und fehlertoleranten mathematischen Struktur von Ω(E, r →) ist die Anzahl der Iterationsschritte gering. In der Praxis werden ein bis zwei Iterationen ausreichen.With the, over μ (0) (E, r →), more precise information about the local energy-dependent attenuation function μ (1) (E, r →) from step 3, one can return to step 2 and a more recent value Ω (1) (e,
Figure 00220001
) to calculate. This results in a steady iterative process. Due to the slowly varying and fault-tolerant mathematical structure of Ω (E, r →), the number of iteration steps is small. In practice, one to two iterations will suffice.

In der 14 sind drei beispielhaft ermittelte lokale messspektrumabhängige Wichtungsfunktionen Ωj(E, r →) an den Orten P1, P2 und P3 eines in der 13 dargestellten Messfeldes mit einem Phantom 7 dargestellt. Hierbei wurde das Spektrum einer 140 kVp-Röntgenstrahlung eines CT-Systems zugrunde gelegt. Der Effekt der Strahlaufhärtung ist am Verlauf der Wichtungsfunktionen an den Orten P1, P2 und P3 zu erkennen, die eine umso stärkere Verschiebung zum härteren Spektrum erfahren je zentraler der Messpunkt gewählt ist.In the 14 are three exemplarily determined local measurement spectrum dependent weighting functions Ω j (E, r →) at the locations P1, P2 and P3 of a in the 13 shown measuring field with a phantom 7 shown. This was based on the spectrum of a 140 kVp X-ray of a CT system. The effect of the beam hardening can be seen in the course of the weighting functions at the locations P1, P2 and P3, which experience an even stronger shift to the harder spectrum the more central the measuring point is selected.

Eine schematische Darstellung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ist mit einem Ausführungsbeispiel unter Anwendung von Iteration in der 15 mit den Verfahrensschritten 16.1 bis 16.7 dargestellt.A schematic representation of this method according to the invention is illustrated with an embodiment using iteration in the 15 with the process steps 16.1 to 16.7 shown.

Im ersten Verfahrensschritt 16.1 wird ein Untersuchungsobjekt mit Hilfe eines CT-Systems, bezogen auf mindest zwei unterschiedliche Abtastspektren, abgetastet und es werden die lokalen mittleren Schwächungswerte μ j(r →) rekonstruiert. Der Index j definiert hierbei die unterschiedlichen spektralen Wichtungsfunktionen der verwendeten Strahlungs-Detektor-Kombinationen. Im Schritt 16.2 wird auf der Grundlage der ermittelten Datensätze der lokalen mittleren Schwächungswerte μ j(r →) eine grobe Materialverteilung im Untersuchungsobjekt und auch Messfeld – hierzu zählt beispielsweise auch eine Patientenliege im Messfeld – und in Kenntnis der daraus resultierenden und aufgrund der hier angesetzten Basismaterialien vorbekannten energieabhängigen Schwächungsfunktionen μ(1)(E, r →) ermittelt. Hieraus werden im Verfahrensschritt 16.3 die lokalen messspektrumabhängigen Wichtungsfunktionen Ωj(E, r →) gemäß der Gleichung 11 – oder auch gemäß der Gleichung 12 – bestimmt.In the first process step 16.1 an object to be examined is scanned with the help of a CT system, based on at least two different scanning spectra, and it becomes the local average attenuation values μ j (r →) reconstructed. The index j defines the different spectral weighting functions of the radiation detector combinations used here. In step 16.2 is based on the determined data sets of local mean attenuation values μ j (r →) a coarse material distribution in the examination subject and also measuring field - this includes, for example, a patient bed in the measurement field - and in knowledge of the resulting and based on the base materials recognized here previously known energy-dependent attenuation functions μ (1) (E, r →) determined. This will be in the process step 16.3 the local measurement spectrum-dependent weighting functions Ω j (E, r →) according to the equation 11 - or according to the Equation 12 - determined.

Auf der Basis der so ermittelten lokalen messspektrumunabhängigen Schwächungsfunktionen μ(E, r →) und der lokalen messspektrumabhängigen Wichtungsfunktionen Ωj(E, r →) wird nun im Verfahrensschritt 16.4 eine detaillierte Basismaterialzerlegung stattfinden. Hierbei wird die zuvor vorhandene Kenntnis 16.7 über die grundsätzlich mögliche Materialzusammensetzung des Untersuchungsobjektes, also mögliche vorhandene Basismaterialien M1 ... MN, verwertet. Bei einem Patienten, der mit Hilfe einer Kontrastmittelgabe untersucht wird, kann beispielsweise als Basismaterialien Wasser oder Weichgewebe, Knochen, Luft (in Lunge und sonstigem Messfeld) und ein oder mehrere Kontrastmittel angesetzt werden. Die energieabhängigen Schwächungsfunktionen μ1(E, r →) ... μN(E, r →) dieser N Materialien sind entweder zuvor bekannt oder können über detaillierte Voruntersuchungen exakt außerhalb des aktuellen CT-Verfahrens bestimmt werden. Grundsätzlich wird diese Kenntnis allerdings auch bereits im Verfahrensschritt 16.2 verwendet, da bereits hier aufgrund einer anfänglichen Mate rialverteilung energieabhängige Schwächungsfunktionen μ(E, r →) eingesetzt werden.On the basis of the thus determined local measurement spectrum-independent attenuation functions μ (E, r →) and the local measurement spectrum-dependent weighting functions Ω j (E, r →), the method step now becomes 16.4 a detailed base material decomposition take place. This will be the previously existing knowledge 16.7 on the fundamentally possible material composition of the examination object, so possible existing base materials M 1 ... M N , utilized. In a patient who is examined by means of a contrast agent, for example, water or soft tissue, bone, air (in the lung and other measuring field) and one or more contrast agents can be used as base materials. The energy-dependent attenuation functions μ 1 (E, r →) ... μ N (E, r →) of these N materials are either previously known or can be determined via detailed preliminary examinations exactly outside the current CT method. Basically, however, this knowledge is already in the process step 16.2 used, since already here rialverteilung due to an initial Mate energy-dependent attenuation functions μ (E, r →) are used.

Sind auf diese Weise die lokalen Partialdichten ci(r →), auch Massenkonzentrationen genannt, errechnet, so können diese im Verfahrensschritt 16.6 in einer tomographischen Darstellung ausgegeben werden. Bei dem in 15 gezeigten Verfahren wird allerdings im Schritt 16.5 zunächst entschieden, ob ein Abbruchkriterium für die Iteration erfüllt ist. Hierfür kann zum Beispiel ein ermittelter Fehler Δ zwischen zwei Iterationsergebnissen berechnet und bei Unterschreiten eines Fehlerwertes Δ unter eine Konstante k oder bei Überschreiten einer vorgegebenen Anzahl an Iterationen n ein Iterationsabbruch eingeleitet werden. Anderenfalls wird zum Verfahrensschritt 16.3 verzweigt.If the local partial densities c i (r →), also called mass concentrations, are calculated in this way, then these can be determined in the method step 16.6 in a tomographic representation. At the in 15 However, the process shown is in step 16.5 first decided whether an abort criterion for the iteration is met. For this purpose, for example, a determined error Δ between two iteration results can be calculated and an iteration termination can be initiated if an error value Δ is undershot below a constant k or if a predetermined number of iterations n is exceeded. Otherwise, becomes the process step 16.3 branched.

Als Ergebnis stehen dem Nutzer Absorptionsdaten beziehungsweise Bilddaten zur Verfügung, die nicht mehr von der zur Untersuchung verwendeten Strahlung abhängig sind und eine vom verwendeten Messsystem neutrale Darstellung des Untersuchungsobjektes ermöglichen.When The result is the user absorption data or image data no longer available for examination used radiation and one of the used Measuring system allow neutral representation of the object to be examined.

Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass unter rekonstruierten CT-Bilddatensätzen die mit einem Röntgenspektrum gemessenen spektral gewichteten und damit messspektrumabhängigen Schwächungswerte μ selbst verstanden werden, obwohl bei der Darstellung dieser rekonstruierten CT-Bilddatensätze meist so genannten CT-Zahlen oder CT-Werte X in HU (= Hounsfield Units) in einer Grauwertskala gezeigt sind. Die Umrechnung zwischen CT-Wert X und Schwächungswert μ normiert auf Wasser erfolgt gemäß der Gleichung

Figure 00240001
In addition, it is pointed out that under reconstructed CT image data sets, the spectrally weighted and therefore measurement spectrum-dependent attenuation values μ themselves are understood, although in the presentation of these reconstructed CT image data sets, so-called CT numbers or CT values X in HU (FIG. Hounsfield units) are shown in a gray scale. The conversion between CT value X and attenuation value μ normalized to water is carried out according to the equation
Figure 00240001

Zusammenfassend wird also in dieser Erfindung vorgeschlagen, aus unter mindestens zwei unterschiedlichen spektralen Wichtungen ermittelten CT-Datensätzen mit lokalen energiegemittelten Schwächungswerten eine anfängliche Materialverteilung eines Untersuchungsobjektes zu bestimmen, unter Anwendung dieser Materialverteilung lokale messspektrumsabhängige Wichtungsfunktionen zu bestimmen, welche lokale messspektrumsunabhängige Schwächungswerte errechnen lassen, wobei mit Hilfe einer Basismaterialzerlegung unter Verwendung der lokalen energiegemittelten Schwächungswerte, der lokalen messspektrumsabhängigen Wichtungsfunktionen und der lokalen messspektrumunabhängige Schwächungsfunktionen die lokalen Partialdichten des Untersuchungsobjektes errechnet werden. Ergänzend kann eine Iteration mit aus der Berechnung nun genauer bekannten Materialverteilung und/oder lokalen messspektrumsabhängigen Wichtungsfunktionen und/oder lokalen messspektrumsunabhängige Schwächungsfunktionen durchgeführt werden. Selbstverständlich kann dieses Verfahren mit allen zuvor genannten Merkmalen kombiniert werden.In summary is therefore proposed in this invention, from at least two different spectral weights determined CT data sets with local energy-averaged attenuation values an initial one To determine material distribution of an object to be examined, under Application of this material distribution local measurement spectrum dependent Determine weighting functions which are local, measurement spectrum independent Calculate attenuation values, using a Base material decomposition using local energy-averaged Attenuation values, the local measurement spectrum dependent Weighting functions and the local measurement spectrum independent Attenuation functions the local partial densities of the examination object be calculated. In addition, an iteration with out the calculation now more accurately known material distribution and / or local measurement spectrum-dependent weighting functions and / or local measurement spectrum independent attenuation functions be performed. Of course this can Method be combined with all the features mentioned above.

Insbesondere versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Especially it is understood that the above features of the invention not only in the specified combination, but also in other combinations or alone, without to leave the scope of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10143131 B4 [0005] - DE 10143131 B4 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - PHYS. MED. BIOL., 1976, VOL. 21, NO. 5, 733–744, „Energyselective Reconstructions in X-ray Computerized Tomography, R. E. Alvarez and A. Macovski [0004] - PHYS. MED. BIOL., 1976, VOL. 21, NO. 5, 733-744, "Energyselective Reconstructions in X-ray Computerized Tomography, RE Alvarez and A. Macovski [0004]

Claims (18)

Verfahren zur Rekonstruktion von CT-Bilddatensätzen aus N ≥ 2 Projektionsdatensätzen, aufgenommen mit N unterschiedlichen Spektralwichtungen (Sj(E)·Dj(E) mit j = 1 bis N), definiert als Produktfunktion aus der energieabhängigen Wichtung eines verwendeten Strahlungsspektrums (Sj(E)) und der spektralen Empfindlichkeit eines verwendeten Detektors (Dj(E)), enthaltend die folgenden Verfahrensschritte: 1.1. CT-Scan eines Untersuchungsobjektes (7) und Erzeugung der N Projektionsdatensätzen, gemessen mit jeweils unterschiedlicher Spektralwichtung (Sj(E)·Dj(E)), 1.2. Rekonstruktion von N CT-Bilddatensätzen, jeweils mit einer Vielzahl von lokalen Bildwerten, die lokale mittlere Schwächungswerte (μ i(r →)) am Ort (r →) des Untersuchungsobjektes (7) und eines Messfeldes (MF) in Abhängigkeit von den jeweils zum Scan genutzten energieabhängigen Spektralwichtungen (Sj(E)·Dj(E)) wiedergeben, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden: 1.3. Ermittlung einer ersten groben Materialverteilung mit M ≥ N vorbestimmten Basismaterialien im Untersuchungsobjekt (7) auf der Basis der zuvor ermittelten lokalen mittleren Schwächungswerte (μ i(r →)), 1.4. Bestimmung erster lokaler energieabhängiger Schwächungsfunktionen (μ(E, r →)) im Untersuchungsobjekt (7) auf der Basis der groben Materialverteilung und der bekannten Zusammensetzung der Basismaterialien, 1.5. Berechnung von lokalen messspektrumabhängigen Wichtungsfunktionen (Ωj(E, r →)) an den Orten (r →) des Untersuchungsobjektes (7) auf der Basis der zuletzt bekannten Materialverteilung im Untersuchungsobjekt (7) mit den dazugehörigen materialspezifischen energieabhängigen Schwächungsfunktionen (μ(E, r →)), 1.6. Durchführung einer Materialzerlegung für M Basismaterialien zur Bestimmung von materialspezifischen örtlichen Partialdichten (ci(r →) mit i = 1 bis M) des Untersuchungsobjektes (7) unter Verwendung der zuletzt bekannten lokalen energieabhängigen Schwächungsfunktionen (μ(E, r →)) und den lokalen messspektrumabhängigen Wichtungsfunktionen (Ωj(E, r →)), und 1.7. tomographische Darstellung der berechneten örtlichen Partialdichten (ci(r →) des Untersuchungsobjektes (7).Method for reconstructing CT image data sets from N ≥ 2 projection data sets recorded with N different spectral weights (S j (E) * D j (E) with j = 1 to N), defined as product function from the energy-dependent weighting of a used radiation spectrum (S j (E)) and the spectral sensitivity of a detector (D j (E)) used, comprising the following method steps: 1.1. CT scan of an examination subject ( 7 ) and generation of the N projection data sets, measured in each case with different spectral weighting (S j (E) .D j (E)), 1.2. Reconstruction of N CT image data sets, each with a plurality of local image values, the local mean attenuation values ( μ i (r →)) at the location (r →) of the examination subject ( 7 ) and a measuring field (MF) as a function of the energy-dependent spectral weights (S j (E) .D j (E)) used for the scan, characterized in that the following method steps are carried out: 1.3. Determination of a first coarse material distribution with M ≥ N predetermined base materials in the examination subject ( 7 ) on the basis of the previously determined local mean attenuation values ( μ i (r →)), 1.4. Determination of first local energy-dependent attenuation functions (μ (E, r →)) in the examination subject ( 7 ) based on the coarse material distribution and the known composition of the base materials, 1.5. Calculation of local measurement spectrum-dependent weighting functions (Ω j (E, r →)) at the locations (r →) of the examination subject ( 7 ) on the basis of the last known material distribution in the examination object ( 7 ) with the associated material-specific energy-dependent attenuation functions (μ (E, r →)), 1.6. Performing a material decomposition for M base materials for the determination of material-specific local partial densities (c i (r →) with i = 1 to M) of the examination object ( 7 ) using the last known local energy-dependent attenuation functions (μ (E, r →)) and the local measurement spectrum-dependent weighting functions (Ω j (E, r →)), and 1.7. Tomographic representation of the calculated local partial densities (c i (r →) of the examination subject ( 7 ). Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Bestimmung von örtlichen Partialdichten (ci(r →) der Basismaterialien des Untersuchungsobjektes (7) die so bekannte Materialverteilung der Basismaterialien die Schritte 1.5 bis 1.6 durchgeführt werden, bis eine vorgegebene Iterationsbedingung erfüllt ist.Method according to the preceding claim 1, characterized in that after the determination of local partial densities (c i (r →) of the base materials of the examination object ( 7 ) the so-known material distribution of the base materials, the steps 1.5 to 1.6 are performed until a predetermined iteration condition is met. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der iterativen Berechnung der lokalen messspektrumabhängigen Wichtungsfunktionen (Ωj(E, r →)) korrigierte energieabhängige Schwächungsfunktionen (μ(E, r →)) gemäß
Figure 00270001
verwendet werden, wobei E die Energieabhängigkeit und r → die Ortsabhängigkeit des Schwächungsfunktionen beschreiben und μj(E, r →) die dichtenormierten energieabhängigen Schwächungsfunktionen des j-ten Materials darstellt.
Method according to the preceding claim 2, characterized in that in the iterative calculation of the local measurement spectrum-dependent weighting functions (Ω j (E, r →)) corrected energy-dependent attenuation functions (μ (E, r →)) according to
Figure 00270001
where E describes the energy dependence and r → the spatial dependence of the attenuation functions and μ j (E, r →) represents the density normalized energy-dependent attenuation functions of the j-th material.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der lokalen messspektrumabhängigen Wichtungsfunktionen (Ω(E, r →)) an den Orten (r →) des Untersuchungsobjektes (7) die Beziehung
Figure 00270002
verwendet wird, mit:
Figure 00280001
wobei P dem Vorwärtsprojektionsoperator bei einer Rekonstruktion eines CT-Bilddatensatzes und R–1 Radontransformationsoperator bei einer Rekonstruktion eines CT-Bilddatensatzes entsprechen.
Method according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that for the calculation of the local measurement spectrum-dependent weighting functions (Ω (E, r →)) at the locations (r →) of the examination subject ( 7 ) the relationship
Figure 00270002
is used with:
Figure 00280001
where P corresponds to the forward projection operator in a reconstruction of a CT image data set and R -1 radon transformation operator in a reconstruction of a CT image data set.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Materialzerlegung die Beziehung:
Figure 00280002
verwendet wird, wobei der Index 1 bis N die Anzahl der verwendeten energieabhängigen Spektralwichtungen (Sj(E)·Dj(E)) angibt, der Index 1 bis M die Anzahl der zu bestimmenden Materialien darstellt, während E die Energieabhängigkeit und r → die Ortsabhängigkeit des Schwächungskoeffizienten beschreiben.
Method according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that for material decomposition the relationship:
Figure 00280002
where Index 1 to N indicates the number of energy-dependent spectral weights used (S j (E) * D j (E)), Index 1 to M represents the number of materials to be determined, while E represents energy dependence and r → describe the location dependence of the attenuation coefficient.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche energieabhängige Spektralwichtungen (Sj(E)·Dj(E)) durch die Verwendung unterschiedlicher Strahlungsspektren erreicht werden.Method according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that different energy-dependent spectral weights (S j (E) * D j (E)) are achieved by the use of different radiation spectra. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche energieabhängige Spektralwichtungen (Sj(E)·Dj(E)) durch die Verwendung unterschiedlicher spektraler Detektorempfindlichkeiten erreicht werden.Method according to one of the preceding claims 1 to 6, characterized in that different energy-dependent spectral weights (S j (E) * D j (E)) are achieved by using different spectral detector sensitivities. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Untersuchungsobjekt ein Patient (7) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 7, characterized in that a patient ( 7 ) is used. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Basismaterialien Wasser ist.Method according to the preceding Claim 8, characterized in that at least one of Base materials is water. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Basismaterialien Knochen ist.Method according to one of the preceding Claims 8 to 9, characterized in that at least one of the basic materials is bone. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Basismaterialien Luft ist.Method according to one of the preceding Claims 8 to 10, characterized in that at least one of the base materials is air. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Basismaterialien ein Kontrastmittel ist.Method according to one of the preceding Claims 8 to 11, characterized in that at least one of the base materials is a contrast agent. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Untersuchungsobjekt ein unbelebter Gegenstand verwendet wird.Method according to one of the preceding Claims 1 to 7, characterized in that as Object of investigation an inanimate object is used. Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Basismaterialien vorbekannte Materialien verwendet werden.Method according to the preceding Claim 13, characterized in that as base materials previously known materials are used. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Basismaterialien mindestens ein im Gegenstand gesuchtes Material verwendet wird.Method according to one of the preceding Claims 13 to 14, characterized in that as base materials, at least one material sought in the article is used. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der CT-Scan des Untersuchungsobjektes (7) über eine Vielzahl von gleich verteilt angeordneten Scanwinkeln durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims 1 to 15, characterized in that the CT scan of the examination object ( 7 ) is performed over a plurality of equally distributed scanning angles. Verfahren, wobei: – aus unter mindestens zwei unterschiedlichen spektralen Wichtungen (Sj(E)·Dj(E)) ermittelten CT-Datensätzen mit lokalen mittleren Schwächungswerten (μ i(r →)) eine anfängliche Materialverteilung eines Untersuchungsobjektes (7) bestimmt wird, – unter Anwendung dieser Materialverteilung lokale messspektrumabhängige Wichtungsfunktionen (Ωj(E,
Figure 00300001
)) bestimmt werden, welche lokale energieabhängige Schwächungsfunktionen (μ(E, r →)) errechnen lassen, – wobei mit Hilfe einer Basismaterialzerlegung unter Verwendung der lokalen energiegemittelten Schwächungswerte (μ j(r →)), der lokalen messspektrumabhängigen Wichtungsfunktionen (Ωj(E, r →)) und der lokalen energieabhängigen Schwächungsfunktionen (μ(E, r →)) die lokalen Partialdichten (ci(r →)) des Untersuchungsobjektes errechnet werden.
Method, wherein: - from at least two different spectral weights (S j (E) * D j (E)) determined CT data sets with local mean attenuation values ( μ i (r →)) an initial material distribution of an examination object ( 7 ) is determined, using this material distribution local measurement spectrum-dependent weighting functions (Ω j (E,
Figure 00300001
)), which can be used to calculate local energy-dependent attenuation functions (μ (E, r →)), using a base material decomposition using the local energy-averaged attenuation values (FIG. μ j (r →)), the local measurement spectrum-dependent weighting functions (Ω j (E, r →)) and the local energy-dependent attenuation functions (μ (E, r →)) the local partial densities (c i (r →)) of the examination object are calculated ,
CT-System zur Abtastung eines Untersuchungsobjektes aufweisend eine Steuer- und Recheneinheit (10) mit einem Speicher für Computerprogrammcode (Prg1–Prgn), dadurch gekennzeichnet, dass Computerprogrammcode (Prg1–Prgn) im Speicher hinterlegt ist, welcher im Betrieb die Verfahrensschritte eines der voranstehenden Verfahrensansprüche ausführen kann.CT system for scanning an examination subject comprising a control and computing unit ( 10 ) with a memory for computer program code (Prg 1 prg n ), characterized in that computer program code (Prg 1 -Prg n ) is stored in the memory, which can perform the method steps of one of the preceding method claims in operation.
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