DE102009017615A1

DE102009017615A1 - Verfahren und Bildrekonstruktionseinrichtung zur Erzeugung von radiologischen Bilddaten

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Publication number: DE102009017615A1
Application number: DE200910017615
Authority: DE
Inventors: Philipp Dr. Bernhardt; Karl Dr. Stierstorfer; Ernst-Peter Rührnschopf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2010-12-30

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung von radiologischen Bilddaten (B) aus mit unterschiedlichen Strahlungsenergiespektren erzeugten Projektionsdaten $I1 eines mehrere Materialien (M, M, M) aufweisenden Untersuchungsobjekts (O) beschrieben. Dieses Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte: - Ermittlung von Kandidaten-Materialparametersätzen $I2 für verschiedene mögliche Materialkombinationen, - Auswahl einer Materialkombination und/oder eines Materialparametersatzes $I3 aus der Gruppe der Kandidaten-Materialparametersätze $I4 auf Basis vorgegebener Auswahlkriterien (AK) und - Erstellung der radiologischehn Bilddaten (B) auf Basis von ausgewählten Materialkombinationen und/oder Materialparametersätzen $I5 Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Bildrekonstruktionseinrichtung (10, 10') zur Erzeugung von radiologischen Bilddaten (B) mit einem solchen Verfahren sowie ein bildgebendes System (1) mit einer entsprechenden Bildrekonstruktionseinrichtung (10, 10').

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von radiologischen Bilddaten aus mit unterschiedlichen Strahlungsenergiespektren, insbesondere Röntgenenergiespektren, erzeugten Projektionsdaten eines mehrere Materialien aufweisenden Untersuchungsobjekts. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Bildrekonstruktionseinrichtung, die zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist, sowie ein bildgebendes System mit einer solchen Bildrekonstruktionseinrichtung.
Klassischerweise werden bei den mit Röntgenstrahlung arbeitenden bildgebenden Systemen integrierende Röntgendetektoren eingesetzt, bei denen die Bildaufnahme am Detektor, d. h. die Projektionsdaten bzw. Schwächungswerte, auf einer durch die Materialien im Untersuchungsobjekt über den gesamten Energiebereich der verwendeten Röntgenstrahlung integrierten Schwächung basiert. Ungünstigerweise gehen dabei jedoch spektrale Informationen verloren, welche zu einer besseren Diskriminierung der durchstrahlten Materialien voneinander verwendet werden könnten. Um zumindest in bestimmtem Maße die spektralen Informationen nutzen zu können, werden inzwischen häufig Messungen im so genannten „Dual-Energy”-Verfahren (im Folgenden auch Zwei-Spektren-Verfahren genannt) durchgeführt. Dabei werden nacheinander zwei Messungen mit spektral unterschiedlichen Strahlungsquellen durchgeführt, indem z. B. die Röhrenspannung zwischen zwei Werten (häufig zwischen 70 kV und 100 kV für das niederenergetische Spektrum und zwischen 120 kV und 150 kV für das höherenergetische Spektrum) umgeschaltet wird oder indem spezielle Filter vor die Röntgenquelle gesetzt werden, um so ein bestimmtes Spektrum zu erzeugen. Alternativ wird auf der Detektorseite die Strahlung unterschiedlich „aufgehärtet”, d. h. es werden durch einen geeigneten Filter mehr niederenergetische Photonen absor biert, so dass die Strahlung hinter dem Filter hochenergetischer ist, bevor sie detektiert wird.
Beispielsweise arbeiten inzwischen die meisten Röntgengeräte zur Gepäckkontrolle an Flughäfen mit einer solchen Dual-Energy-Messung, um im Gepäck kritische Objekte besser identifizieren zu können. Darüber hinaus sind solche Dual-Energy-Verfahren aber auch bei anderen Materialprüfungsaufgaben und insbesondere im medizinischen Bereich sinnvoll einsetzbar. So lassen sich z. B. im medizinischen Bereich durch eine geeignete Kombination zweier mit unterschiedlichen Röntgenspektren gewonnener Projektionsbilder des Patienten Gewebearten, vor allem Weichteilgewebe und Knochen, besser voneinander unterscheiden.
Eine Möglichkeit zur qualitativen Trennung zweier Materialien wird beispielsweise in R. J. Warp, J. T. Dobbins: "Quantitative evaluation of noise reduction strategies in dual-energy imaging", Med. Phys. 30 (2), Februar 2003, beschrieben. Bei dieser qualitativen Methode erfolgt die Trennung üblicherweise mit den folgenden empirischen Gleichungen: B1 = –log(I1) + w1log(I2) (1a) B2 = log(I1) – w2log(I2) (1b)
Dabei sind I₁ und I₂ die gemessenen Intensitäten im höher- bzw. niederenergetischen Projektionsbild. Die empirischen Faktoren w₁, w₂ sind so zu wählen, dass visuell eine möglichst gute Separation der beiden ausgewählten Materialien erzielt wird. B₁ und B₂ sind Grauwertbilder, die zunächst keine physikalischen Größen darstellen, sondern erst mittels geeigneter Skalierungsfaktoren und additiver Konstanten näherungsweise als Pseudomaterialdicken der beiden zu selektierenden Materialien, beispielsweise Weichteilgewebe und Knochen, interpretiert werden können.
Die Dual-Energy-Methode liefert also zwei Gleichungen für zwei Unbekannte, so dass sich hiermit im Prinzip nur zwei unterschiedliche Materialien separieren lassen. In der Regel muss daher im Voraus entschieden werden, welche zwei Materialien separiert werden sollen. Im medizinischen Bereich sind dies meist Weichteilgewebe und Knochen oder Weichteilgewebe und Kontrastmittel. In den Bereichen der Gepäckkontrolle handelt es sich oft um die Identifizierung von Metallen oder Kunststoffen.
Häufig treten jedoch auch mehr als zwei radiologisch unterschiedliche Materialien auf, beispielsweise bei der Gepäck- und Materialkontrolle verschiedene Metalle, Kunststoffe, Flüssigkeiten etc. oder im medizinischen Bereich Fettgewebe, Muskelgewebe, Blut, Kalk oder Knochen oder verschiedene Kontrastmittel, insbesondere Jod. Dabei kommt es vor, dass sich in einem Bereich des Projektionsbilds genau zwei bestimmte Materialien, z. B. Fettgewebe und Muskelgewebe, besonders überlappen und in einem anderen Bereich des Projektionsbilds dagegen zwei andere Materialien, beispielsweise Weichteilgewebe und Knochen oder Weichteilgewebe und kontrastmittelgefüllte Gefäße. In einem dritten Bildbereich können sich wieder andere Materialien überlagern. Oft ist es sogar so, dass sich an vielen Stellen mehr als zwei verschiedene Materialien überlagern.
Die obige qualitative Beschreibung der Dual-Energy-Technik anhand der Gleichungen (1a) und (1b) zeigt aber, dass dieses Verfahren nur schlecht geeignet ist, wenn nicht von vornherein klar ist, welche Materialien voneinander separiert werden sollen, d. h. wenn Bilder aufgenommen werden, in denen in verschiedenen Bildbereichen unterschiedliche Materialkombinationen auftreten. Dann kann es zu fehlerhaften oder gar völlig unsinnigen Ergebnissen kommen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Bildrekonstruktionseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche auf einfache und kos tengünstige Weise eine Separation von mehreren unterschiedlichen Materialien aus mit unterschiedlichen Strahlungsenergiespektren erzeugten Projektionsdaten, insbesondere auch bei Aufnahmen aus einem einfachen Zwei-Spektren-Projektionsradiographieverfahren, erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch eine Bildrekonstruktionseinrichtung gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei folgende Verfahrensschritte auf:
Es werden zunächst Kandidaten-Materialparametersätze für verschiedene mögliche Materialkombinationen ermittelt. Bei diesen Materialparametersätzen handelt es sich um physikalische Größen, welche quantitativ die verschiedenen Materialien in einer Materialkombination beschreiben, beispielsweise die Materialdicken (z. B. gemessen in cm) oder die Massenbelegungsdichten (z. B. gemessen in g/cm²) der beteiligten unterschiedlichen Materialien. Aus der Gruppe der Kandidaten-Materialparametersätze werden dann auf Basis vorgegebener Auswahlkriterien eine Materialkombination und/oder ein Materialparametersatz ausgewählt. Hierbei können auch, vorzugsweise nach hierarchischen Regeln aufeinander folgend, verschiedene Auswahlkriterien herangezogen werden, wie später noch detaillierter erläutert wird. Diese Ermittlung der Kandidaten-Materialparametersätze sowie die Auswahl der Materialkombinationen bzw. Materialparametersätze kann besonders bevorzugt für jeden einzelnen Pixel erfolgen oder gemeinschaftlich für bestimmte Bildbereiche.
Es werden dann auf Basis der ausgewählten Materialkombinationen und/oder Materialparametersätze die radiologischen Bilddaten erstellt. Hierzu können für die einzelnen Bildbereiche bzw. einzelnen Pixel Bildparameter generiert werden, die die ausgewählte Materialkombination bzw. die ausgewählten Materialparametersätze in geeigneter Weise repräsentieren. Bei spielsweise können so zwei oder mehr Bilder erzeugt werden, in denen die unterschiedlichen Materialparameter eines bestimmten Materials, wie Materialstärke oder Massenbelegungsdichte, durch Grauwerte dargestellt sind, oder es können mehrere Materialparameter verschiedener Materialien beispielsweise durch geeignete farbige Markierungen in einem gemeinsamen Bild dargestellt werden.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass der Bediener nicht mehr auf die Darstellung von nur zwei vorab ausgewählten Materialien beschränkt ist, sondern dass so auch eine Art „Multimaterialzerlegung” möglich ist, bei der die Klassifizierung von mehr als zwei Materialien in einem oder mehreren Bildern zur Darstellung gebracht werden können.
Dabei können die zusätzlichen Informationen aus nur zwei Projektionsbildern gewonnen werden, die mit unterschiedlichen Strahlungsenergiespektren, insbesondere Röntgenenergiespektren, erzeugt wurden. Es können also mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer normalen Dual-Energy-Methode aufgenommene Projektionsbilder so ausgewertet werden, dass bildbereichsweise unterschiedliche Materialgruppierungen, insbesondere Materialpaarungen, voneinander diskriminierbar sind.
Eine hierfür benötigte Bildrekonstruktionseinrichtung muss neben einer Projektionsdatenschnittstelle zur Übernahme von mit unterschiedlichen Strahlungsenergiespektren erzeugten Projektionsdaten des Untersuchungsobjekts folgende Komponenten aufweisen:

– eine Kandidatenwert-Ermittlungseinheit zur Ermittlung von Kandidaten-Materialparametersätzen für verschiedene mögliche Materialkombinationen;
– eine Auswahleinheit zur Auswahl einer Materialkombination und/oder eines Materialparametersatzes aus der Gruppe der Kandidaten-Materialparametersätze auf Basis vorgegebener Auswahlkriterien und
– eine Bildkombinationseinheit zur Erstellung der radiologischen Bilddaten auf Basis von ausgewählten Materialkombinationen und/oder Materialparametersätzen.

Außerdem muss eine geeignete Ausgabeschnittstelle zur Verfügung stehen, über die die so generierten Bilddaten dann entweder einem Benutzer angezeigt werden können oder eine Übergabe an andere Komponenten zur Weiterverarbeitung, zur Hinterlegung in einem Speicher oder Versendung über ein Netzwerk erfolgen kann.
Ein erfindungsgemäßes bildgebendes System benötigt zum einen eine Strahlungsquellenanordnung und zum anderen eine Detektoranordnung zur Erfassung von Projektionsdaten eines zwischen einer Strahlungsquelle der Strahlungsquellenanordnung und einem Detektor der Detektoranordnung angeordneten Untersuchungsobjekts. Weiterhin muss eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Strahlungsquellenanordnung und/oder der Detektoranordnung zur Verfügung stehen, wobei die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, dass Projektionsdaten des Untersuchungsobjekts mit unterschiedlichen Strahlungsenergiespektren gewonnen werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine oder mehrere Strahlungsquellen der Strahlungsquellenanordnung so angesteuert werden, dass unterschiedliche Strahlungsenergiespektren gleichzeitig oder nacheinander ausgesendet werden. Es ist aber auch möglich, einen oder mehrere in geeigneter Weise ausgebildete Detektoren zu verwenden und so auszulesen, dass hier unterschiedliche Projektionsbilder mit unterschiedlichen Strahlungsenergiespektren gewonnen werden. Erfindungsgemäß benötigt das bildgebende System dann eine Bildrekonstruktionseinrichtung, wie sie oben beschrieben ist. Das heißt, es kann prinzipiell ein auch bisher schon zur Aufnahme von Dual-Energy-Spektren verwendetes bildgebendes System benutzt werden, sofern die Bildrekonstruktionseinrichtung in geeigneter Weise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens modifiziert worden ist.
Vorzugsweise ist eine erfindungsgemäße Bildrekonstruktionseinrichtung durch Implementierung von geeigneter Software auf einer programmierbaren Bildrekonstruktionseinrichtung realisierbar. Dies gilt insbesondere für die Kandidatenwertermittlungseinheit, die Auswahleinheit und die Bildkombinationseinheit. Aber auch die Projektionsdatenschnittstelle sowie eine geeignete Ausgabeschnittstelle können beispielsweise rein in Form von Software ausgebildet sein, sofern die Daten nur von einer anderen, z. B. auf der gleichen Rechnereinheit realisierten, Funktionseinheit übernommen werden müssen. Ansonsten kann es sich hierbei auch um Hardwareschnittstellen, insbesondere durch geeignete Software konfektionierte Hardwareschnittstellen handeln. Eine softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch bereits bestehende Bildrekonstruktionseinrichtungen bzw. bildgebende Systeme auf einfache und kostengünstige Weise nachgerüstet werden können, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Insofern wird die Erfindung auch durch ein Computerprogrammprodukt gelöst, welches direkt in einen Speicher einer Bildrekonstruktionseinrichtung ladbar ist, mit geeigneten Programmcodemitteln, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Bildrekonstruktionseinrichtung ausgeführt wird.
Die abhängigen Ansprüche enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, wobei insbesondere die erfindungsgemäße Bildrekonstruktionseinrichtung und das erfindungsgemäße bildgebende System auch analog zu den Merkmalen der abhängigen Verfahrensansprüche weitergebildet sein können.
Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens werden für jeden Pixel der zu erzeugenden Bilddaten, d. h. für jeden Pixel der fertigen Bilder, separat die Kandidaten-Materialparametersätze ermittelt und es erfolgt anschließend, vorzugsweise sofort, eine Auswahl einer Materialkombination und/oder eines Materialparametersatzes aus den ermittelten Kandidaten-Materialparametersätzen.
Alternativ kann auch für eine Pixelgruppe, beispielsweise einen größeren Bildbereich oder sogar das komplette Bild, vorab eine Ermittlung von Kandidaten-Materialparametersätzen erfolgen und anschließend wird dann für einzelne Pixel oder Pixeluntergruppen, beispielsweise für die verschiedenen Teilbereiche der Bilder der jeweiligen Pixelgruppe, eine Auswahl einer Materialkombination und/oder eines Materialparametersatzes durchgeführt. Bei dieser zweiten Variante werden also z. B. komplette Rekonstruktionsbilder von allen in Frage kommenden Materialpaaren als Kandidaten-Materialparametersätze erzeugt. Aus diesem Stapel von Rekonstruktionsbildern wird dann mittels der geeigneten Auswahlkriterien bildbereichsweise oder pixelweise ein optimales Multimaterialbild erzeugt.
Insbesondere bei einer Vorgehensweise nach der ersten der beiden Varianten kann vorzugsweise für einen Pixel oder eine Pixelgruppe eine Ermittlung von Kandidaten-Materialparametersätzen und/oder eine Auswahl einer Materialkombination und/oder eines Materialparametersatzes auf Basis einer bereits ausgewählten Materialkombination und/oder eines Materialparametersatzes eines räumlich benachbarten Pixels erfolgen. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Kandidaten-Materialparametersätze ohnehin für jeden einzelnen Pixel separat bestimmt werden und sofort eine Auswahl für diesen Pixel erfolgen soll. Da es ja häufig so ist, dass in benachbarten Pixeln gleiche Materialkombinationen vorliegen, kann das Wissen über die Materialkombination eines bereits bearbeiteten Pixels herangezogen werden, um schneller zu einem Ergebnis in einem benachbarten Pixel oder Bildbereich zu gelangen, indem beispielsweise zunächst als erster Kandidaten-Materialparametersatz die ausgewählte Materialkombination des benachbarten Pixels ermittelt wird und erst, wenn dieser Kandidaten-Materialparametersatz aufgrund der Auswahlkriterien nicht in Frage kommt, werden weitere Kandidaten-Materialparametersätze berechnet. Dies führt zu einer erheblichen Rechenzeitersparnis.
Zur Ermittlung der Kandidaten-Materialparametersätze gibt es verschiedene lineare und nichtlineare Verfahren, von denen einige nachfolgend noch genauer erläutert werden.
Ein relativ einfaches Verfahren ist ein Verfahren, welches mit einem vereinfachten linearen Modell arbeitet. Bei einem solchen Modell ergeben sich die (logarithmischen) normierten Projektionswerte p₁, p₂, d. h. die am Detektor erfassten Messwerte, als Summe der Produkte aus den Massenbelegungsflächendichten b_J und b_K mit den effektiven Massenschwächungskoeffizienten α_iJ und α_iK zweier mit den Indizes J und K bezeichneten Materialien für die beiden Energiespektren i = 1, 2 gemäß folgenden Gleichungen: p1 = α1JbJ + α1KbK (2a) p2 = α2JbJ + α2KbK (2b)
Unter Verwendung des Vektors
und der Matrix
lassen sich die Gleichungen (2a) und (2b) in folgender Gleichung zusammenfassen: p = A(JK)·b (JK) (4)
Da der Vektor p bekannt ist und der Vektor b _(JK) gesucht wird, muss hierzu die Gleichung b (JK) = A–1(JK) ·p b (JK) = A–1(JK) ·p (5)(5)gelöst werden, wozu die inverse Matrix
verwendet werden kann. Die Konstante c ist dabei die Determinante der in Gleichung (6) definierten Dual-Energy-Matrix A (im Folgenden auch „DE-Matrix” genannt), d. h. c = (α_1Jα_2K – α_1Kα_2J).
Da die Massenschwächungskoeffizienten α_1J, α_2J, α_1K und α_2K im Prinzip bekannt sind, kann die DE-Matrix gemäß Gleichung (6) ohne weiteres berechnet werden, so dass sich auch mit Hilfe von Gleichung (5) anhand der gemessenen Projektionsintensitäten p jeweils die gesuchten Materialparametersätze b, d. h. hier die Paare der Massenbelegungsflächendichten b_J und b_K, ermitteln lassen.
Wie oben bereits erwähnt, können beispielsweise die einzelnen Elemente der DE-Matrix vorab bestimmt und in geeigneten Look-up-Tabellen für jede Materialkombination hinterlegt werden. Abgesehen davon ist es aber auch möglich, bereits zwei-parametrige Vektortabellen mit Materialdicken oder sogar komplette Lösungspaare der 2×2-DE-Matrix zu jedem Projektionswertepaar vorab zu berechnen und in Look-up-Tabellen zu hinterlegen. Dabei ist auch eine Interpolation zwischen den Werten für die hinterlegten Projektionswertepaare möglich, so dass auf sehr einfache und schnelle Weise die verschiedenen Kandidaten-Materialparametersätze, insbesondere Kandidaten-Massenbelegungsdichtesätze, ermittelt werden können.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des zuvor beschriebenen linearen Verfahrens wird mit Hilfe einer Transformation eines Kandidaten-Materialparametersatzes einer ersten Materialkombination ein Kandidaten-Materialparametersatz für eine zweite Materialkombination ermittelt. Das heißt, es wird, wenn eine Dual-Energy-Zerlegung bereits für ein Materialpaar (J, K) durchgeführt wurde, eine Umrechnung auf ein beliebiges anderes Materialpaar (J', K') beispielsweise mit einer einzigen Transformationsmatrix T vorgenommen: b (J'K') = T(JK)⊳(J'K')b(JK) (7a)mit T(JK)⊳(J'K') = A–1(J'K') A(JK) (7b)
Dabei können auch die Transformationsmatrizen T für die verschiedensten Materialkombinationen vorab berechnet und hinterlegt sein. Das Verfahren wird durch dieses Verfahren noch weiter beschleunigt, wobei die quantitative Richtigkeit beibehalten bleibt.
Wie bereits oben beschrieben, hat das erfindungsgemäße Verfahren prinzipiell aber den Vorteil, dass es auch eine Berechnung mit quantitativen nichtlinearen Modellen für polychromatische Spektren erlaubt. Diese Vorgehensweise ist noch stärker an die Realität angelehnt, da hier der physikalische Zusammenhang im Allgemeinen ja nicht linear ist.
Theoretisch gilt für die normierten Primärintensitäten (bzw. Primärschwächungen) bei den Spektren W₁(E) bzw. W₂(E) im Falle von zwei radiologisch unterschiedlichen Materialien mit Massenschwächungskoeffizienten α_J(E) = (μ_J/ρ_J)(E) und α_K(E) = (μ_K/ρ_K)(E) (μ_J bzw. μ_K sind die linearen Schwächungskoeffizienten und ρ_J bzw. ρ_K sind die Dichten der wieder mit den Indizes J und K bezeichneten Materialien) in Abhängigkeit von den Massenbelegungsdichten b_J bzw. b_K (in g/cm²), die der Röntgenstrahl durchdringt, folgende Relation:

p₁ und p₂ sind dabei wieder die gemessenen Projektionswerte. Die Gleichungen (8a) und (8b) lassen sich zusammengefasst in einer nichtlinearen Vektorfunktion wie folgt schreiben:
Diese nichtlineare Vektorfunktion in Gleichung (9) tritt an die Stelle der Matrix A_(JK) in Gleichung (5). Das heißt, Gleichung (5) lässt sich für den nichtlinearen Fall in folgender Form schreiben: b (JK) = A–1(JK) (b)·p (10)wobei A^–1 _(JK)(b) ein zu A_(JK)(b) inverser nichtlinearer Operator ist.
Die effektiven Spektren W₁(E) und W₂(E), die das Emissionsspektrum der Röntgenröhre, die Wirkung der Spektralfilter und die energieabhängige Detektoransprechempfindlichkeit beinhalten, können als bekannt angenommen werden. D. h. die die Primärschwächung beschreibenden Funktionen p₁(b), p₂(b) können prinzipiell als Funktionen der Massenbelegungsdichten b = (b_J, b_K) vorausberechnet oder experimentell bestimmt werden. Da sie bezüglich der beiden Variablen b_J bzw. b_K zumindest bei den Energiebereichen und Materialien, die meist in der medizinischen Diagnostik oder Materialprüfung von Interesse sind, partiell streng monoton fallen, lässt sich die nichtlineare Vektoroperation A_(JK)(b) ohne weiteres invertieren, um die Berechnungen nach Gleichung (10) durchführen zu können. Die Inversion kann dabei mittels Standardverfahren der numerischen Mathematik, z. B. dem Newton-Raphson-Verfahren für Vektorfunktionen durchgeführt werden, wie sie beispielsweise in Press, Flannery, Teukolsky, Vetterling: ”Numerical Reci pes. The Art of Scientific Programming”, Cambridge University Press, beschrieben wird.
Die notwendigen, für Dual-Energy typischen Spektren sowie die energieabhängigen Massenschwächungskoeffizienten sind für die meisten Materialien, beispielsweise für Wasser, Fettgewebe, Knochen, Mineralien (Hydroxylapatit), Aluminium, Calcium, Jod etc. dem Fachmann ebenfalls bekannt.
Auch mit einem nichtlinearen Verfahren können also problemlos die Kandidaten-Materialparametersätze bzw. Kandidaten-Massenbelegungsdichtesätze ermittelt und in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden.
Für die konkrete Durchführung des Auswahlverfahrens zur Auswahl des geeigneten Materialparametersatzes und/oder der richtigen Materialkombination auf Basis der Kandidaten-Materialparametersätze gibt es verschiedene Möglichkeiten und Auswahlkriterien.
Bevorzugt wird ein Auswahlverfahren eingesetzt, bei dem unterschiedliche Auswahlkriterien angewendet werden, wobei besonders bevorzugt das Gesamtverfahren hierarchisch aus mehreren Stufen besteht.
Ein bevorzugtes Auswahlkriterium besteht darin, dass geprüft wird, ob alle Materialparameter eines ermittelten Kandidaten-Materialparametersatzes ein bestimmtes Vorzeichen aufweisen. Es ist beispielsweise bei Massenbelegungsdichten physikalisch unsinnig, wenn eine negative Massenbelegungsdichte ermittelt wird. Daher können bereits alle Kandidaten-Massenbelegungsdichtesätze aussortiert werden, bei denen eine der Massenbelegungsdichten ein negatives Vorzeichen aufweist.
Bei einem weiteren bevorzugten Auswahlkriterium wird darauf geachtet, ob die Materialparameter eines ermittelten Kandidaten-Materialparametersatzes innerhalb von bestimmten Wertebereichsgrenzen liegen, die jeweils für ein zu der betreffenden Materialparameterdichte gehöriges Material vorab festgelegt sind. Dabei können diese Grenzwerte auch in Abhängigkeit von einer Untersuchungssituation, insbesondere einem Untersuchungsobjekt, bestimmt werden. Auch auf diese Weise können sehr einfach unsinnige Materialkombinationen ausgeschlossen werden. So ist es klar, dass beispielsweise bei einer Kopfuntersuchung ein Knochenanteil höher sein wird als bei einer Untersuchung des Abdomens. Auch ist im Vorhinein klar, dass bei einem adipösen Patienten der Fettanteil erheblich größer ist als bei einem nicht adipösen Patienten. Alle diese Vorinformationen können vor der Rekonstruktion herangezogen werden, um sinnvolle Wertebereichsgrenzen festzulegen, die dann innerhalb der Auswahl herangezogen werden können. Die Festlegung der Wertebereiche kann dabei insbesondere auch automatisch aus anderen zur Verfügung stehenden Informationen ermittelt werden. Beispielsweise kann der maximale Wertebereich für Weichteil- bzw. Fettgewebe bei Abdomenaufnahmen in Abhängigkeit des BMI (Body-Mass-Index) oder in Abhängigkeit des Körperfettanteils des Patienten vorgegeben werden, welcher z. B. mit der BIA-Methode (bioelektrische Impedanzanalyse) gemessen werden kann. Diese Informationen können beispielsweise in einer elektronischen Patientenakte verzeichnet sein und automatisch daraus ermittelt werden, um die Wertebereichsgrenzen festzulegen.
Bei den meisten Fällen wird nach diesen Auswahlkriterien bereits ein eindeutiges Materialpaar bzw. ein eindeutiger Materialparametersatz feststellbar sein. Als weiteres geeignetes Auswahlkriterium bietet sich aber auch der Einsatz eines mathematischen Normkriteriums an. Bei einem mathematischen Normkriterium wird einem Vektor ein nicht negativer skalarer Wert zugeordnet, z. B. die euklidische Länge des Vektors oder bei der sogenannten „Maximumnorm” der Betrag der größten Vektorkomponente und bei der sogenannten „Minimumnorm” der Betrag der kleinsten Vektorkomponente.
Im Rahmen der Erfindung kann beispielsweise ein maximaler Normwert gesucht werden, d. h. es wird aus den zur Verfügung stehenden Kandidaten-Materialparametersätzen (welche als Vektoren gesehen werden können) derjenige herausgesucht, der die maximale vorab definierte Vektornorm aufweist. In gleicher Weise könnte mit einem minimalen Normwert gearbeitet werden. Die konkrete Form des mathematischen Normkriteriums kann wiederum in Abhängigkeit von der Untersuchungssituation vorher festgelegt sein.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zudem vorab auf Basis von Informationen über die Messsituationen bzw. Messbedingungen, beispielsweise den verschiedenen Messparametern, der Art des Untersuchungsobjekts, ob ein Kontrastmittel verwendet wird oder nicht etc., bereits eine Vorauswahl möglicher Materialkombinationen durchgeführt, für die überhaupt die Kandidaten-Materialparametersätze ermittelt werden. So lässt sich beispielsweise bei einer Messung ohne Kontrastmittel das Auffinden von Kontrastmittel im Untersuchungsobjekt ausschließen, so dass es unsinnig wäre, die Kandidaten-Materialparametersätze zu berechnen, bei denen ein Material der Materialgruppierung ein Kontrastmittel ist. Durch diese Vorauswahl kann erheblich an Rechenzeit eingespart werden.
Besonders bevorzugt werden für verschiedene Messbedingungen, insbesondere verschiedene Untersuchungsobjekte, mögliche Materialkombinationen sowie diesen zugeordnete Auswahlkriterien, wie z. B. Wertebereichsgrenzen, vorab bestimmt und in geeigneter Form, beispielsweise in einer Tabelle, hinterlegt.
Das gesamte Verfahren kann in allen Stufen besonders bevorzugt vollautomatisch durchgeführt werden, d. h. es können beispielsweise nach Eingabe oder Übernahme der notwendigen Informationen über die Messbedingungen automatisch die hinterlegten Auswahlkriterien, die möglichen Materialkombinationen etc. herangezogen werden und dann nach den vorgegebenen Regeln automatisch die Kandidaten-Materialparametersätze berechnet und in dem beschriebenen Auswahlverfahren nach und nach ausgewählt werden, um anschließend automatisch die gewünschten materialseparierten Bilddaten zu generieren.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Prinzip-Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen bildgebenden Systems,
2 ein vereinfachtes Flussdiagramm zur Darstellung eines möglichen Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 eine Tabelle mit effektiven Massenschwächungskoeffizienten für verschiedene Materialien bei zwei verschiedenen Röntgenspektren,
4 die sich aus den verschieden Massenschwächungskoeffizienten gemäß 3 für die verschiedenen Materialkombinationen ergebenden Dual-Energy-Matrizen (gemäß Gleichung (6)) zur Berechnung von Massenbelegungsdichtesätzen,
5 eine Tabelle mit Materialkombinationen, wie sie in vier verschiedenen Testsimulationen verwendet wurde,
6 eine Tabelle mit Wertebereichsgrenzen für die verschiedenen in den Testsimulationen verwendeten Materialien und
7 eine Tabelle mit den gemäß der Tabelle in 5 durchgeführten Simulationen erhaltenen Kandidaten-Massebelegungsdichtesätzen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines bildgebenden Systems, welches mit einer erfindungsgemäßen Bildrekonstruktionseinrichtung 10 ausgestattet ist. Bei dem bildgebenden Sys tem 1 handelt es sich hier um ein einfaches Röntgensystem mit einer Röntgenquelle 2 und einem in Abstrahlrichtung der Röntgenstrahlung gegenüberliegenden Röntgendetektor 3, beispielsweise einem elektronisch auslesbaren Halbleiterdetektor. Dazwischen wird ein Untersuchungsobjekt O positioniert, welches verschiedenste Materialien M₁, M₂, M₃ enthält, die sich hier an unterschiedlichen Projektionsbereichen paarweise überlagern können.
Ein solches Röntgensystem 1 kann beispielsweise für medizinische Zwecke eingesetzt werden. Es kann sich aber auch um ein Materialprüfungssystem, insbesondere um ein Gepäckkontrollsystem oder dergleichen, handeln. Die Röntgenquelle 2 ist über eine Steuerschnittstelle 7 an eine Steuereinrichtung 5 des bildgebenden Systems 1 angeschlossen. Der Detektor 3 ist wiederum über eine Bildakquisitions-Schnittstelle 8 an diese Steuereinrichtung 5 angeschlossen. Über die Steuerschnittstelle 7 wird die Röntgenquelle 2 angesteuert, um Röntgenstrahlung mit einem bestimmten Energiespektrum, beispielsweise nacheinander mit den im Dual-Energy-Verfahren üblichen Energiespektren von im Mittel 70 KV und 120 KV abzustrahlen (70 kV und 120 kV sind dabei die Beschleunigungsspannungen in der Röntgenröhre). Es können aber auch andere, z. B. höhere, Röhrenspannungswerte eingestellt werden. Die prinzipielle Vorgehensweise sowie der Aufbau der für ein Dual-Energy-Verfahren benötigten Röntgenquellen und Detektoren sowie die Ansteuerungsmethoden sind dem Fachmann aber bekannt und brauchen daher hier nicht näher erläutert zu werden.
Die bei den mit den verschiedenen Röntgenspektren erzeugten Projektionsdaten P werden aus dem Detektor 3 ausgelesen und über die Bildakquisitions-Schnittstelle 8 an eine Projektionsdatenschnittstelle 11 der Bildrekonstruktionseinrichtung 10 übergeben. Diese Bildrekonstruktionseinrichtung 10 ist auf der Steuereinrichtung 5 in Form von geeigneten Softwaremodulen realisiert. Die Steuereinrichtung 5 ist hier also zusätzlich auch als Bilddatenverarbeitungseinrichtung ausgebildet.
An eine Terminalschnittstelle 9 der Steuereinrichtung 5 ist ein Terminal 4 angeschlossen, über das ein Bediener des Systems 1 die Steuereinrichtung 5 und somit das komplette System 1 ansteuern kann. Außerdem ist die Steuereinrichtung 5 über eine Netzwerkschnittstelle 6 mit einem Netzwerk 19, beispielsweise einem radiologischen Informationssystem (RIS), verbunden, an das weitere Komponenten, z. B. Massenspeicher 17 oder andere Terminals oder Bilddatenverarbeitungseinrichtungen 18 angeschlossen sind. Auch diese weiteren Bilddatenverarbeitungseinrichtungen 18 können mit in Form von Software realisierten erfindungsgemäßen Bildrekonstruktionseinrichtungen 10' ausgestattet sein, so dass eine Bildrekonstruktion nicht zwingend in der Steuereinrichtung 5 des Systems 1 selbst durchgeführt werden muss, um dann die Bilder auf dem angeschlossenen Terminal 4 anzuzeigen. Alternativ können die Rohdaten, d. h. die Projektionsdaten p, auch direkt über die Netzwerkschnittstelle 6 an solche anderen Bilddatenverarbeitungseinrichtungen 18 übertragen werden, um dort in der erfindungsgemäßen Weise die radiologischen Bilder zur Separation der verschiedenen Materialien zu erzeugen.
Die Steuereinrichtung 5 weist außerdem noch einen Speicher 16 auf, in dem verschiedene Daten und Tabellen hinterlegt sind, die u. a. von der erfindungsgemäßen Bildrekonstruktionseinrichtung 10 genutzt werden können. Zur Erläuterung der Komponenten der Bildrekonstruktionseinrichtung 10 wird außerdem auf 2 verwiesen, in der ein möglicher Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt ist.
Im Schritt I werden zunächst die Projektionsdaten p von der Projektionsdatenschnittstelle 11 eingelesen. Die Projektionsdaten p werden dann an die Kandidatenwertermittlungseinheit 12 übergeben.
Diese trifft zunächst im Schritt II eine Vorauswahl der überhaupt möglichen Materialkombinationen. Dies wird auf Basis von im Speicher 16 hinterlegten Tabellen LuT durchgeführt, wobei beispielsweise der Bediener zuvor über das Terminal 4 Informationen über die Messsituation, z. B. bekannte Daten des Untersuchungsobjekts, eingibt. Bei einer Untersuchung eines Patienten kann hier beispielsweise der BMI eingegeben werden, die Art der Untersuchung, z. B. ob es sich um eine Abdomen- oder eine Kopfuntersuchung handelt, ob Kontrastmittel verwendet wird etc. Anhand dieser Daten können dann aus einer Tabelle LuT in der Speichereinrichtung 16 die notwendigen Informationen ausgewählt werden, um die überhaupt in Frage kommenden Materialkombinationen zu bestimmen.
Von der Kandidatenwertermittlungseinheit 12 werden dann für die in Frage kommenden Materialkombinationen im Schritt III aus den Projektionsdaten die Kandidaten-Materialparametersätze, hier konkret die Kandidaten-Massenbelegungsdichtesätze b _C, errechnet und diese dann an eine Auswahleinheit 13 übermittelt.
Im Schritt IV wählt dann diese Auswahleinheit 13 anhand von Auswahlkriterien AK aus den Kandidaten-Massenbelegungsdichtesätzen b _C den passenden Massenbelegungsdichtesatz b aus, wodurch dann automatisch die Materialkombination und die Dicken bzw. die Massenbelegungsdichten dieser Materialien in dem betreffenden Bildbereich bzw. Pixel bekannt sind.
Für die konkrete Durchführung des Verfahrens gibt es, wie oben beschrieben, verschiedene Möglichkeiten. Zum einen können für jedes einzelne Pixel die Vektortabellen, in denen jedem Paar von gemessenen Projektionswerten jeweils die zugehörigen Materialdicken zugeordnet sind, vorab berechnet und hinterlegt werden. Zum anderen können aber z. B. auch die zwei-parametrigen Vektortabellen, in denen für jedes Paar von Projektionswerten jeweils die zugehörige inverse 2×2-DE-Matrix gemäß Gleichung (6) abgespeichert ist, berechnet und hinterlegt werden. Es ist dann zur Ermittlung der Kandidaten-Massenbelegungsdichtesätzen b _C nur noch ein Zugriff auf diese Tabellen und gegebenenfalls eine Interpolation nötig.
Die Kandidaten-Massenbelegungsdichtesätze b _C werden dann sofort in der Auswahleinheit gemäß den oben beschriebenen Auswahlkriterien geprüft, d. h. es wird z. B. zunächst geprüft, ob unter den Wertepaaren vollkommen unsinnige sind, bei denen beispielsweise negative Massenbelegungsdichten auftreten. Es wird dann in einem weiteren Hierarchieschritt geprüft, ob die Massenbelegungsdichten jeweils in bestimmten vorgegebenen Wertegrenzen liegen. Wenn schließlich diese beiden Kriterien noch nicht zu einem eindeutigen Ergebnis geführt haben, kann ein mathematisches Normkriterium angewendet werden, um die richtige Lösung zu finden.
Die hierfür erforderlichen Auswahlkriterien AK sowie zugehörige Look-up-Tabellen LuT können wiederum in der Speichereinheit 16 für die verschiedensten Materialkombinationen und/oder Untersuchungssituationen hinterlegt sein.
Bei der zuvor erläuterten pixelweisen Auswahl kann dann sofort für das nächste Pixel die Materialseparation zunächst mit dem Materialpaar, d. h. mit der zugehörigen Vektortabelle, durchgeführt werden, das bei dem vorherigen Pixel zum Erfolg geführt hat. Hierzu kann die Auswahleinheit 13 entsprechende Auswahlinformationen AI an die Kandidatenwertermittlungseinheit 12 zurück übermitteln. Sind die sich dabei ergebenden Materialbelegungsdichten nicht negativ, so gelten sie als plausibel und es wird automatisch zum nächsten Pixel übergegangen. Andernfalls müssen auch für die anderen Materialpaare die Kandidaten-Massenbelegungsdichten b _C berechnet werden und diese werden dann wiederum an die Auswahleinheit 13 übergeben, um die richtige Auswahl für den nächsten Bildpixel zu finden.
Der Vorteil einer solchen pixelweisen Auswahl liegt darin, dass – wenn sich die Materialzusammensetzung in einem Bildbereich nicht ändert – die Berechnung innerhalb eines Bildbereichs nur für ein Materialpaar anstatt für alle Materialpaare durchgeführt wird. Der Rechenaufwand ist dann praktisch nicht größer als bei dem Standardverfahren mit nur einem fest vorgewählten Materialpaar. Diese Variante der pixelweisen Berechnung und Auswahl ist in 2 durch die gestrichelt dargestellte Rückschleife zwischen den Schritten IV und III symbolisiert.
Bei einer anderen Variante wird zunächst im Schritt III für jedes der möglichen Materialpaare ein komplettes Bild berechnet. Dabei ist der Speicherbedarf für die Zwischenspeicherung der Bilder (bei m verschiedenen Materialpaaren) m mal so hoch wie bei dem anderen Verfahren, bevor dann im Schritt IV der Auswahlalgorithmus angewendet wird. Das heißt, es müssen m verschiedene Bildpaare von der Kandidatenwertermittlungseinheit an die Auswahleinheit übergeben werden. Allerdings ist der Rechenaufwand nicht m mal so hoch wie bei dem anderen Verfahren, denn die Indexrechnung für einen Tabellenzugriff und eine Berechnung der Interpolationsgewichte, wenn z. B. in den Tabellen Lösungen interpoliert werden müssen, ist in der Regel nur einmal erforderlich.
Sofern eine lineare Berechnung durchgeführt wird, kann auch die oben anhand der Gleichungen (7a) und (7b) beschriebene Transformationsmethode genutzt werden, um sehr einfach von einem Bild für ein bestimmtes Materialpaar ein Bild für ein anderes Materialpaar zu berechnen. Bei diesem Verfahren werden dann im Schritt IV die einzelnen Rekonstruktionsbilder Pixel für Pixel oder bildbereichsweise durchsucht, um jeweils für die einzelnen Pixel oder Bildbereiche das passende Rekonstruktionsbild zu wählen.
Bei beiden Varianten werden schließlich in einer Bildkombinationseinheit 14 im Schritt V auf Basis der für die einzelnen Pixel bzw. Bildbereiche ermittelten Massenbelegungsdichten b die Bilddaten B für die verschiedenen Materialien in Form von beispielsweise einzelnen Grauwertbildern oder in Form eines kombinierten Bildes, in dem die separierten Materialien in geeigneter Weise in Form von Farben dargestellt sind, erzeugt.
Die fertigen Bilddaten B werden dann im Schritt VI über die Ausgabeschnittstelle 15 ausgegeben. Sie werden beispielsweise an die Terminalschnittstelle 9 übergeben, um die Bilder auf einem Bildschirm des Terminals 4 anzuzeigen, oder über eine Netzwerkschnittstelle 6 in ein Netzwerk eingespeist, um sie in einem Massenspeicher 17 zu archivieren. Alternativ können die Bilder natürlich auch auf einem lokalen Speicher, beispielsweise dem Speicher 16, hinterlegt werden.
Im Folgenden wird anhand der 3 bis 7 die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens noch einmal an konkreten Simulationsbeispielen erläutert. In der Simulation wird dabei davon ausgegangen, dass die Aufnahmen von einer Röntgenröhre mit einer Wolframanode durchgeführt wurden, mit Röhrenspannungen von 70 kV (ohne Filter) und 120 kV (mit zusätzlichem Kupferfilter von 0,3 mm). Für die Berechnung wird der Einfachheit halber ein lineares Modell angenommen, d. h. die Berechnungen erfolgen mit Hilfe der linearen Gleichungen (5) und (6). Zur Berechnung der hierfür benötigten effektiven Massenschwächungskoeffizienten wird eine Vorfilterung im Patienten entsprechend 20 cm Wasser angenommen. Als vorkommende Materialien werden Wasser W, Fettgewebe F, Knochenmineral (Hydroxylapatit) H und Jod I angenommen. Die effektiven Massenschwächungskoeffizienten (in m²/g) für diese Materialien W, F, H, I sind in der Tabelle in 3 zusammengestellt.
Auf Basis dieser in 3 angegebenen Massenschwächungskoeffizienten ergeben sich die in 4 angegebenen fünf Dual-Energy-Matrizen für die verschiedenen Materialkombinationen (WF), (WH), (FH), (WI) und (HI). Diese Dual-Energy-Matrizen können wie oben beschrieben vorab berechnet und für die spätere Auswertung von Messungen hinterlegt werden.
In der Tabelle in 5 sind vier verschiedene simulierte Materialkombinationen angegeben. Die erste Spalte dieser Tabelle enthält die Nummer der Simulation, die zweite Spalte enthält das oben angegebene Kürzel für das erste Material, die dritte Spalte die für das erste Material angenommene Mas senbelegungsdichte in g/cm², die vierte Spalte das Kürzel für das jeweils andere Material und die fünfte Spalte die zugehörige Massenbelegungsdichte, wieder in g/cm².
Zudem wurden für die einzelnen Materialien und Simulationen sinnvolle Wertebereichsgrenzen definiert. Diese sind in der Tabelle gemäß 6 hinterlegt. Die erste Spalte enthält wieder das Kürzel für das jeweilige Material, die zweite Spalte die Wertebereichsgrenzen und die dritte Spalte enthält die Nummer des Experiments bzw. der Simulation, für die diese Wertebereiche gelten. Hierbei ist zu beachten, dass für das Simulationsexperiment Nr. 4 für Hydroxylapatit, d. h. für Knochenmineral, ein höherer Grenzwert angenommen wurde als in den Simulationsexperimenten 1 bis 3. Dies spiegelt wider, dass auch bei der Auswertung von echten Bildern oft Informationen vorliegen, die helfen können, sinnvolle Wertebereichsgrenzen festzulegen. Beispielsweise kann es sich bei dem Experiment 4 um eine Simulation einer Kopfaufnahme handeln, bei der ein erheblich höherer Knochenanteil zu finden ist als bei einer Abdomenaufnahme, wie dies z. B. in den Experimenten 1 bis 3 simuliert wird.
7 zeigt schließlich für die einzelnen Simulationsexperimente 1 bis 4 (siehe Nummerierung in der obersten Zeile) die mit Hilfe der Matrizen in 4 ermittelten Kandidaten-Massenbelegungsdichtesätze für die verschiedensten Materialkombinationen, wie sie in der ersten Spalte dieser Tabelle angegeben sind. Das heißt, die in der Tabelle in 7 angegebenen Zahlenwerte entsprechen den berechneten Kandidaten-Massenbelegungsdichtesätzen in g/cm². Die jeweils unterstrichenen Wertepaare sind die richtigen Paare, d. h. die Massenbelegungsdichten, die auch in der Simulation vorgegeben waren (vgl. 5).
Im Folgenden wird anhand dieser Tabelle in 7 gezeigt, wie mit Hilfe des erfindungsgemäßen Auswahlverfahrens die richtigen Materialpaare in den einzelnen Simulationsexperimenten ermittelt werden können.
Simulationsexperiment 1: Nach Eliminierung der Materialpaare mit einer negativen Komponente verbleiben lediglich das oberste Paar für Wasser W und Fett F sowie das dritte Paar für Fett F und Hydroxylapatit H. Das dritte Paar kann ausgeschieden werden, weil es die Wertebereichsbedingung in der Tabelle in 6 für Fett F verletzt. Daher bleibt nur noch das korrekte Wertepaar, d. h. die Materialkombination aus Wasser W und Fett F, wie sie für dieses Experiment gemäß der Tabelle in 5 vorgegeben war. Bei diesem Simulationsbeispiel würde im Übrigen auch ein mathematisches Normkriterium zum gleichen Ergebnis führen, sofern dieses Normkriterium auf Basis von Plausibilitätsbetrachtungen vorab unter Kenntnis der Aufnahmesituation geeignet gewählt ist.
Simulationsbeispiel 2: Nach Eliminierung aller Materialpaare mit einer negativen Komponente bleiben nur noch das zweite Paar für Wasser W und Hydroxylapatit H, das dritte Paar für Fett F und Hydroxylapatit H sowie das vierte Paar für Wasser W und Jod I. Dieses vierte Paar entfällt, wenn beispielsweise vorab bekannt ist, dass überhaupt keine Kontrastmittelanwendung vorliegt. Das heißt, es kann auch hier ein Ausschluss aufgrund von Vorinformationen erfolgen. Das dritte Paar wird wiederum ausgeschieden, weil es die Wertebereichsbedingungen für Fett F gemäß der Tabelle in 6 verletzt, so dass nur noch das richtige zweite Materialpaar verbleibt.
Simulationsbeispiel 3: Hier weisen nur das zweite, das dritte und das vierte Materialpaar vollständig positive Komponenten auf. Es wird vorausgesetzt, dass bei dieser Simulation ein Jodkontrastmittel angewendet wird. Damit wäre hier das vierte Materialpaar, bestehend aus Wasser W und Jod I, konsistent. Jedoch sind die Paare Zwei und Drei wegen des hohen Knochenmineralanteils unplausibel (der Wert für H Hydroxylapatit verletzt den Grenzwert in der Tabelle gemäß 6), so dass hier lediglich das richtige, vierte Materialpaar verbleibt.
Simulationsbeispiel 4: Bei diesem Beispiel haben nur das vierte Materialpaar für Wasser W und Jod I sowie das fünfte Paar für Hydroxylapatit H und Jod I keine negativen Komponenten. Das vierte Paar ist jedoch wegen des zu hohen Jodanteils gemäß den Wertebereichsgrenzen in der Tabelle nach 6 unplausibel. Somit verbleibt nur das richtige Materialpaar Nr. 5.
Die vorliegenden Beispiele zeigen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr gut durch geeignete Auswahlkriterien allein auf Basis von durch die Untersuchungssituation vorgegebenen Randbedingungen eine vollautomatische Materialanalyse der Dual-Energy-Bilder möglich ist.
Es ist klar, dass für dieses Verfahren, wie für jede quantitative Dual-Energy-Bildgebung, eine hohe Messgenauigkeit sinnvoll ist. Daher wird vorausgesetzt, dass für das Detektorsystem alle üblichen Kalibrier- und Korrekturprozeduren sorgfältig durchgeführt werden, wie beispielsweise Dunkelbildsubtraktion, Inhomogenitätskorrekturen, Normierung auf ungeschwächte Intensitätsverteilung ohne Objekt etc. Außerdem ist eine effiziente Korrektur der vom Messobjekt, d. h. dem Patienten oder dem Werkstück, erzeugten Streustrahlung sinnvoll, wobei auf verschiedene, dem Fachmann bekannte Verfahren zurückgegriffen werden kann.
Wie oben gezeigt wird, hat das erfindungsgemäße Verfahren viele Vorteile. Zum einen ist das Verfahren quantitativ, d. h. es liefert Materialdicken oder Massenbelegungsdichten. Zum zweiten ist keine Beschränkung auf die Darstellung von nur zwei Basismaterialien nötig, die bereits vor einer Rekonstruktion der Bilder festgelegt werden müssen. Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Multimaterialien-Zerlegung zumindest in beschränktem Maße eine Klassifizierung von mehr als zwei Materialien, die dann bereichsweise durch unterschiedliche Farben in einem oder mehreren Bildern als zusätzliche Merkmale zur Darstellung gebracht werden können.
Das Verfahren ist zudem nicht auf lineare Modelle beschränkt, sondern ist vor allem auch für das physikalisch korrekte nichtlineare Modell anwendbar. Insbesondere für die Materialprüfung bzw. die Gepäckkontrolle, bei denen auch Materialien mit hoher Ordnungszahl und Absorptionskanten bei Energien auftreten, die sehr viel höher als 10 kV sind, ergeben sich zur Spektroskopie ähnliche Möglichkeiten, mit mehr als zwei Spektren sinnvoll zu arbeiten. Daher kann das Verfahren grundsätzlich auch auf die Verwendung von mit mehr als zwei unterschiedlichen Strahlungsenergiespektren erzeugten Projektionsdaten verallgemeinert werden.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit” bzw. „Modul” nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- R. J. Warp, J. T. Dobbins: ”Quantitative evaluation of noise reduction strategies in dual-energy imaging”, Med. Phys. 30 (2), Februar 2003 [0004]

Claims

Verfahren zur Erzeugung von radiologischen Bilddaten (B) aus mit unterschiedlichen Strahlungsenergiespektren gewonnenen Projektionsdaten (p) eines mehrere Materialien (M₁, M₂, M₃) aufweisenden Untersuchungsobjekts (O), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: – Ermittlung von Kandidaten-Materialparametersätzen (b _C) für verschiedene mögliche Materialkombinationen, – Auswahl einer Materialkombination und/oder eines Materialparametersatzes (b) aus der Gruppe der Kandidaten-Materialparametersätze (b _C) auf Basis vorgegebener Auswahlkriterien (AK) und – Erstellung der radiologischen Bilddaten (B) auf Basis von ausgewählten Materialkombinationen und/oder Materialparametersätzen (b).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Pixel von zu erzeugenden Bilddaten (B) separat eine Ermittlung von Kandidaten-Materialparametersätzen (b _C) und anschließende Auswahl einer Materialkombination und/oder eines Materialparametersatzes (b) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Pixelgruppe vorab eine Ermittlung von Kandidaten-Materialparametersätzen (b _C) erfolgt und anschließend für einzelne Pixel oder Pixel-Untergruppen der Pixelgruppe eine Auswahl einer Materialkombination und/oder eines Materialparametersatzes (b) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Pixel oder eine Pixelgruppe eine Ermittlung von Kandidaten-Materialparametersätzen (b _C) und/oder eine Auswahl einer Materialkombination und/oder eines Materialparametersatzes (b) auf Basis einer ausgewählten Materialkombination und/oder eines Materialparametersatzes (b) eines räumlich benachbarten Pixels erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Kandidaten-Materialparametersätze (b _c) verwendbare Parameterwerte für verschiedenen Materialkombination vorab berechnet und in Tabellen (LuT) hinterlegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ermittlung der Kandidaten-Materialparametersätze (b _C) mittels eines linearen Verfahrens erfolgt und mit Hilfe einer Transformation eines Kandidaten-Materialparametersatzes (b _C) einer ersten Materialkombination ein Kandidaten-Materialparametersatz (b _C) für eine zweite Materialkombination ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ermittlung der Kandidaten-Materialparametersätze (b _C) mit Hilfe eines nichtlinearen Verfahrens erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auswahlkriterium (AK) darin besteht, ob alle Materialparameter eines ermittelten Kandidaten-Materialparametersatzes (b _C) ein bestimmtes Vorzeichen aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auswahlkriterium (AK) darin besteht, ob die Materialparameter eines ermittelten Kandidaten-Materialparametersatzes (b _C) innerhalb von Wertebereichsgrenzen (WG) liegen, die jeweils für ein zu der jeweiligen Materialparameter gehöriges Material vorab festgelegt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auswahlkriterium (AK) in Abhängigkeit von der Untersuchungssituation gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auswahlkriterium (AK) ein mathematisches Normkriterium umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass vorab auf Basis von Messbedingungen eine Vorauswahl möglicher Materialkombinationen erfolgt, für die Kandidaten-Materialparametersätze (b _C) ermittelt werden.
Bildrekonstruktionseinrichtung (10, 10') zur Erzeugung von radiologischen Bilddaten (B) eines mehrere Materialien (M₁, M₂, M₃) aufweisenden Untersuchungsobjekts (O) mit – einer Projektionsdatenschnittstelle (11) zur Übernahme von mit unterschiedlichen Strahlungsenergiespektren gewonnenen Projektionsdaten (p) des Untersuchungsobjekts (O), – einer Kandidatenwertermittlungseinheit (12) zur Ermittlung von Kandidaten-Materialparametersätzen (b _C) für verschiedene mögliche Materialkombinationen, – einer Auswahleinheit (13) zur Auswahl einer Materialkombination und/oder eines Materialparametersatzes (b) aus der Gruppe der Kandidaten-Materialparametersätze (b _C) auf Basis vorgegebener Auswahlkriterien und – einer Bildkombinationseinheit (14) zur Erstellung der radiologischen Bilddaten (B) auf Basis von ausgewählten Materialkombinationen und/oder Materialparametersätzen (b).
Bildgebendes System (1) mit – einer Strahlungsquellenanordnung (2), – einer Detektoranordnung (3) zur Erfassung von Projektionsdaten eines zwischen einer Strahlungsquelle der Strahlungsquellenanordnung (2) und einem Detektor der Detektoranordnung (3) angeordneten Untersuchungsobjekts (O), – einer Steuereinrichtung (10) zur Ansteuerung der Strahlungsquellenanordnung (2) und der Detektoranordnung (3), wobei die Steuereinrichtung (5) so ausgebildet ist, dass Projektionsdaten (p) des Untersuchungsobjekts (O) mit unterschiedlichen Strahlungsenergiespektren erzeugt werden, und – einer Bildrekonstruktionseinrichtung (10, 10') nach Anspruch 13 zur Erzeugung von radiologischen Bilddaten (B) auf Basis der mit den unterschiedlichen Strahlungsenergiespektren gewonnenen Projektionsdaten (p).
Computerprogrammprodukt, welches direkt in einen Speicher einer Bilddatenverarbeitungseinrichtung (5, 18) ladbar ist, mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen, wenn das Programm in der Bilddatenverarbeitungseinrichtung (5, 18) ausgeführt wird.