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
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.
- 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
Auch
kann auf der Basis solcher tomographischer Bilddatensätze
eine RhoZ-Projektion durchgeführt werden, wie sie in der
Druckschrift
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
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
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
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.
- 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 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 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 verwendet werden, mit: 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 to be used with: 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: 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: 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:
Es zeigen im Einzelnen:It show in detail:
Die
Während
der Messung kann dem Patienten
Die
Steuerung des CT-Systems erfolgt mit Hilfe einer Steuer- und Recheneinheit
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
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
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
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) 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 mit der spektralen Gewichtungsfunktion
- a) For monoenergetic initial energy E 0 of the X-ray quanta, the weakening A (m) 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 with the spectral weighting function
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
Medizinische
und industrielle CT-Systeme verwenden normalerweise Röntgenröhren
als Emissionsquelle. Die
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
Der Fehler in der Abschätzung kann analytisch bestimmt werden. Es lässt sich zeigen, dass Gleichung (2) auch wie folgt geschrieben werden kann: The error in the estimate can be determined analytically. It can be shown that equation (2) can also be written as follows:
Mit dem Fehlerterm lässt sich der effektive Schwächungskoeffizient wie folgt beschreiben: With the error term the effective attenuation coefficient can be described as follows:
Der
Fehler erster Ordnung R aus Gleichung (4) führt zu einer Überschätzung
von A und einer konsequenten Unterschätzung des spektral
gewichteten Schwächungskoeffizienten
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
Der
rekonstruierte lokale mittlere Schwächungskoeffizient wird
dargestellt als
Durch Einsetzen eines Faktorsin die Gleichung (9) und unter Berücksichtigung der Bedingung, dass P{μ(E, r →)} unabhängig von E ist, erhält man die Gleichung By inserting a factor in equation (9), and taking into account the condition that P {μ (E, r →)} is independent of E, the equation is obtained
Die Erweiterung der Gleichung (10) um den Faktorführt zuThe expansion of equation (10) by the factor leads to
Dieser Ausdruck kann umgeformt werden in mit der lokalen Wichtungsfunktion This expression can be transformed into with the local weighting function
Die
Gleichung (11) verknüpft also die spektrale Schwächungsfunktion μ(E, r →)
mit dem gemessenen, gewichteten Schwächungskoeffizienten
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
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 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 wherein the elements of the matrix K are expressed by
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
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
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
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
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
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
Die
Gleichung (12) verbindet die rekonstruierten Bilddaten, die die
effektiven Schwächungskoeffizienten
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
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
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, )
kann aus den Bilddatensätzen aus Schritt 1 geschätzt
werden. In medizinischen CTs kann zum Beispiel durch eine Segmentierung
durch Grenzwertbildung von
3. Rekonstruktion der lokalen energieabhängigen Schwächung3. Reconstruction of the local energy-dependent weakening
Zusammen
mit
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, ) 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, ) 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
Eine
schematische Darstellung dieses erfindungsgemäßen
Verfahrens ist mit einem Ausführungsbeispiel unter Anwendung
von Iteration in der
Im
ersten Verfahrensschritt
Auf
der Basis der so ermittelten lokalen messspektrumunabhängigen
Schwächungsfunktionen μ(E, r →) und der lokalen messspektrumabhängigen
Wichtungsfunktionen Ωj(E, r →) wird
nun im Verfahrensschritt
Sind
auf diese Weise die lokalen Partialdichten ci(r →),
auch Massenkonzentrationen genannt, errechnet, so können
diese im Verfahrensschritt
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 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
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102009015772A DE102009015772A1 (en) | 2008-04-10 | 2009-03-31 | 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 |
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Family Applications (1)
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