DE102009020400A1

DE102009020400A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bildbestimmung aus beim Durchlaufen einer Trajektorie aufgenommenen Röntgenprojektionen

Info

Publication number: DE102009020400A1
Application number: DE102009020400A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Dennerlein; Stefan Hoppe; Markus Dr. Kowarschik; Holger Scherl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: SIEMENS HEALTHINEERS AG, DE
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2029-05-09
Also published as: US20100286928A1; CN101879070B; DE102009020400B4; US8619944B2; CN101879070A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Schwächungskoeffizienten für ein Objekt (P) mittels einer beweglichen Röntgenquelle (2) und eines Detektors (5), welcher für die Aufnahme von Projektionen vorgesehen ist. Erfindungsgemäß wird die Erfindung realisiert, indem - eine Trajektorie für die bewegliche Röntgenquelle (2) festgelegt wird, - Positionen auf der Trajektorie für die Ermittlung einer Ableitung von durch den Detektor (5) aufgenommenen Projektionen festgelegt werden, - eine Mehrzahl von Abtastpositionen für jede der festgelegten Positionen festgelegt werden, - die Trajektorie mit der Röntgenquelle (2) durchfahren und eine Aufnahme einer Projektion für jede Abtastposition gemacht wird, - die Projektionsableitung bezüglich der Trajektorienbahn für jede der Positionen jeweils mittels der für die zugehörige Mehrzahl von Abtastpositionen aufgenommenen Projektionen numerisch berechnet wird und - Schwächungskoeffizienten für das Objekt (P) aus den berechneten Projektionsableitungen mittels einer theoretisch exakten oder approximativen Vorschrift für die Rekonstruktion bestimmt werden. Die Erfindung erlaubt die Reduktion der Projektionen und damit der Patientendosis.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Schwächungskoeffizienten für ein Objekt mittels einer beweglichen Röntgenquelle und einem Detektor.
Röntgenverfahren sind Standardmethoden in der Medizintechnik. Bei einfachen Röntgenaufnahmen wird Röntgenstrahlung durch ein zu untersuchendes Objekt transmittiert und anschließend von einem Detektor aufgenommen. Die Aufnahme oder Projektion stellt eine Information über die Schwächung der transmittierten Röntgenstrahlen auf dem Weg durch das Objekt dar. Die Schwächung der Röntgenstrahlung hängt dabei entscheidend von der Dichte der durchstrahlten Objektteile ab. Die Dichte wiederum liefert Informationen über die Beschaffenheit des Objektes, welche üblicherweise in visueller Form für Diagnosen dargestellt werden. Bei einer Röntgenaufnahme hängt die durch den Detektor registrierte Intensität von der gesamten Objektzusammensetzung entlang der von dem Röntgenstrahl durchlaufenen Strecke ab, d. h. es liegt eine über eine Strecke integrierte Information vor. Somit ist es nicht möglich, aus einer einzelnen Röntgenaufnahme Schwächungskoeffizienten des Objektes als Funktion aller drei Raumkoordinaten zu erhalten. Für ein dreidimensionales Bild werden daher eine Vielzahl von Röntgenaufnahmen von verschiedenen Aufnahmepositionen gemacht und daraus ein dreidimensionales Bild rekonstruiert. Eine der wichtigsten Technologien innerhalb der Medizintechnik, wo auf diese Weise vorgegangen wird, ist die Computertomographie (CT). Im Rahmen der Computertomographie durchlaufen Röntgenquelle und Röntgendetektor eine Bahn bzw. eine Trajektorie. Dabei werden Aufnahmen entlang dieser Trajektorie gemacht.
Aus diesen Aufnahmen wird dann ein dreidimensionales Bild von Schwächungskoeffizienten, die wiederum mit der Dichte zusammenhängen, rekonstruiert.
Die Bildrekonstruktion ist ein komplexes, mathematisches Problem. Für die dreidimensionale Bildkonstruktion haben sich zwei Gruppen von Verfahren etabliert, nämlich approximative und exakte Verfahren. Dabei sind mit (theoretisch) exakten Verfahren Verfahren gemeint, welche mathematisch keine Näherungen enthalten; die numerische Umsetzung kann natürlich Fehler mit sich bringen. Die approximativen Verfahren (z. B. Feldkampalgorithmus) hatten zunächst den Vorteil der deutlich weniger aufwendigen numerischen Umsetzung. Durch geschickte Formulierungen des mathematischen Problems, die in den letzten Jahren vorgeschlagen wurden, liegt nun eine theoretisch exakte Formulierung vor, welche sich mit realistischem Aufwand numerisch umsetzen lässt. Dies ist z. B. in der Druckschrift US 6,771,733 B2 beschrieben. Dort ist eine Rekonstruktionsformel angegeben (Formel 10), welche sich gut für die numerische Umsetzung eines exakten Verfahrens eignet. Für die Implementierung erfordert diese Formel in der Regel eine weitere Umformung entsprechend der verwendeten Bahn bzw. Trajektorie. Für eine Spiralbahn ist die entsprechende Formel z. B. in der erwähnten Schrift als Formel 29 wiedergegeben.
Allerdings bestehen weiterhin Schwierigkeiten bzw. Anforderungen bei der numerischen Umsetzung, denen es zu begegnen gilt. Eine Herausforderung besteht darin, einen sinnvollen Kompromiss zwischen der Anzahl der aufgenommenen Projektionen und der Bildqualität zu finden, wobei die Bildqualität im Allgemeinen umso höher ist, je mehr Aufnahmen gemacht werden. Vor allem im Hinblick auf die Strahlenbelastung von untersuchten Patienten ist es auf der anderen Seite aber wünschenswert, die Anzahl der Aufnahmen zu beschränken.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, bei approximativen und exakten Rekonstruktionsverfahren die Reduktion der Projektionen zu ermöglichen, ohne dafür eine Verschlechterung der Bildqualität in Kauf nehmen zu müssen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen.
Erfindungsgemäß werden Schwächungskoeffizienten für ein Objekt mittels einer beweglichen Röntgenquelle und einem Detektor bestimmt. Dabei ist der Begriff Detektor weit zu verstehen, so dass es sich um ein Detektorsystem mit geeigneter Anordnung von Detektoren bzw. die Detektorenflächen handeln kann. Weiter kann sein, dass sowohl Röntgenquelle als auch Detektor beweglich sind (wie bei CT-Anwendungen) oder nur die Röntgenquelle (z. B. Tomosynthese in der Mammographie). Bei dem Verfahren werden die Schwächungskoeffizienten mittels Projektionen, d. h. Aufnahmen von durch das Objekt transmittierter Röntgenstrahlung bestimmt. Dabei wird eine Bahn bzw. Trajektorie für die bewegliche Röntgenquelle festgelegt. Auf dieser Trajektorie werden (vorzugsweise äquidistante) Positionen für die (numerische) Ermittlung einer Ableitung von durch den Detektor aufgenommenen Projektionen festgelegt. Für jede dieser festgelegten Positionen wird eine Mehrzahl von Abtastpositionen (vorzugsweise 2 oder 3) festgelegt. Die Trajektorie wird mit der beweglichen Röntgenquelle durchfahren, wobei für jede der festgelegten Abtastpositionen die Aufnahme einer Projektion durchgeführt wird. Vorzugsweise wird dabei die Trajektorie mit konstanter Geschwindigkeit durchfahren. Bei einer konstanten Geschwindigkeit treten vergleichsweise geringe mechanische Belastungen des für die Aufnahmen verwendeten Systems auf. In der Regel ist daher eine konstante Geschwindigkeit für die Behandlungsdauer die beste Lösung, weil sich wegen der geringeren mechanischen Belastungen die Trajektorie schneller durchfahren lässt. Das bedeutet wiederum, dass in der Regel beim erfindungsgemäßen Verfahren unterschiede Zeitabstände zwischen Aufnahmen von Projektionen vorkommen (nämlich geringere Zeitabstände bei benachbarten Aufnahmen, die derselben Mehrzahl von festgelegten Abtastpositionen zugeordnet sind, als wenn die benachbarten Aufnahmen nicht zu derselben Mehrzahl von Abtastpositionen gehören). Die erhaltenen Projektionen werden für die numerische Berechnung der Projektionsableitung bezüglich der Trajektorie verwendet, wobei für jede der Positionen jeweils die für die zugehörige Mehrzahl von Abtastpositionen aufgenommenen Projektionen verwendet werden. Die berechneten Projektionsableitungen werden für die Rekonstruktion mittels einer theoretisch exakten oder approximativen Vorschrift bzw. Formel zur Bestimmung der Schwächungskoeffizienten für das Objekt verwendet. Dabei können, z. B. zur Vorverarbeitung der Projektionen vor der Rekonstruktion mittels exakter oder approximativer Formel, weitere Schritte vorgesehen sein. Beispiele für derartige Schritte wären z. B. Umsortierung (binning) und Filtern. Auch können die Schritte der numerischen Ableitungsberechnung und der Rekonstruktion derart miteinander verbunden sein, dass keine vollständige Berechnung aller Ableitungen vor dem Beginn der Rückprojektion erfolgt. Dabei handelt es sich jedoch um für den Fachmann bekannte Maßnahmen, die er routinemäßig als Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lehre vorsehen wird. Eine erfindungsgemäß verwendbare theoretische exakte Formel bzw. mathematische Vorschrift kann z. B. durch eine Umformung der Formel 10 aus der US 6,771,733 B2 für eine bestimmte Trajektorie (Spirale, Kreis, Linie, ...) erhalten werden. Die Erfindung kann aber auch bei approximativen Verfahren zum Einsatz kommen. Z. B. ist Tomosynthese in der Regel per Konstruktion nicht exakt (auf Grund der unvollständigen Abtastbahn), aber es werden auch dort Rekonstruktionsverfah ren verwendet, die die Berechnung einer Ableitung entlang der Trajektorie erfordern.
Sowohl im Falle mancher approximativer Verfahren als auch bei den bekannten, für eine numerische Umsetzung geeigneten theoretisch exakten Formeln für die Rekonstruktion zur Bestimmung von Schwächungskoeffizienten in drei Dimensionen erscheint eine Ableitung von Projektionen nach einem Parameter, welcher die von der Aufnahmequelle durchlaufene Trajektorie parametrisiert. Die Erfinder haben die wichtige Rolle erkannt, welche diese Ableitung für die numerische Umsetzung dieser Formeln für die Rückprojektion spielt. Indem nunmehr Positionen für die Ermittlung von Ableitungen der durch den Detektor aufgenommenen Projektionen festgelegt werden und diesen Abtastpositionen zugeordnet werden, kann durch geeignete Festlegung der Abtastpositionen die Qualität der numerischen Ableitung optimiert werden, wodurch es möglich ist, mit insgesamt weniger Aufnahmen dieselbe Qualität zu erreichen. Als Folge davon können Bildaufnahmen mit derselben Qualität und einer geringeren Strahlenbelastung für den Patienten gemacht werden.
Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung, mittels welcher das erfindungsgemäße Verfahren implementiert wird. Diese Vorrichtung kann Software, Hardware, Firmware oder eine Kombination davon verwenden, um die Erfindung zu realisieren. Dabei können auch die einzelnen Schritte des Verfahrens mittels entsprechenden funktionellen Softwaremodulen realisiert sein. Im Folgenden wird die Erfindung im Rahmen eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 Ein mehrere Zeilen von Detektorelementen aufweisendes Spiral-CT-Gerät in schematischer Darstellung in z-Richtung;
2 Längsschnitt entlang der z-Achse durch das Gerät gemäß 1;
3 Schematische Darstellung der spiralförmigen Fokus- und Detektorbewegung;
4 verschiedene Aufnahmeprotokolle.
In den 1 und 2 ist ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes Spiral-CT-Gerät mit einem Mehrzeilendetektor dargestellt. Die 1 zeigt schematisch das Gantry 1 mit einem Fokus 2 und einem ebenfalls rotierenden Detektor 5 (mit Breite B und Länge L) im Schnitt senkrecht zur z-Achse, während die 2 einen Längsschnitt in Richtung der z-Achse zeigt. Das Gantry 1 weist eine Röntgenstrahlenquelle mit ihrem schematisch dargestellten Fokus 2 und einer dem Fokus vorgelagerten quellennahen Strahlenblende 3 auf. Vom Fokus 2 aus verläuft, begrenzt durch die Strahlenblende 3, ein Strahlenbündel 4 zum gegenüberliegenden Detektor 5, welches den dazwischenliegenden Patienten P durchdringt. Die Abtastung erfolgt während der Rotation von Fokus 2 und Detektor 5 um die z-Achse, wobei gleichzeitig der Patient P in Richtung der z-Achse bewegt wird. Es entsteht auf diese Weise im Koordinatensystem des Patienten P eine Spiralbahn S für Fokus 2 und Detektor 5 mit einer Steigung oder Vorschub V, wie sie in der 3 räumlich und schematisch dargestellt ist.
Bei der Abtastung des Patienten P werden über die Daten-/Steuer-Leitung 6 die vom Detektor 5 erfassten dosisabhängigen Signale an die Recheneinheit 7 übertragen. Mit Hilfe bekannter Methoden, die in den dargestellten Programm-Modulen P₁ bis P_n niedergelegt sind, wird anschließend aus den gemessenen Rohdaten die räumliche Struktur des abgetasteten Bereiches des Patienten P bezüglich seiner Absorptionswerte in be kannter Weise errechnet. Erfindungsgemäß wird hierbei ein theoretisch exaktes Rekonstruktionsverfahren angewendet.
Die sonstige Bedienung und Steuerung des CT-Gerätes erfolgt ebenfalls mittels der Recheneinheit 7 und der Tastatur 9. Die Ausgabe der errechneten Daten kann über den Monitor 8 oder einen nicht dargestellten Drucker erfolgen.
Die meisten effizient einsetzbaren approximativen und exakten Verfahren (z. B. die in US 6,771,733 B2 beschriebenen) erfordern die Berechnung der Ableitung entlang der Abtastbahn.
Bei exakten dreidimensionalen Rekonstruktionsverfahren kommen im Wesentlichen drei Verfahren zur Berechnung der Ableitung entlang der Abtastbahn zum Einsatz, die in der Fachwelt unter den Namen „Direct Scheme”, „Chain Rule Scheme” und „New Scheme” bekannt sind (vgl. [1]). Das Direct Scheme ist einfach zu implementieren und liefert gute Ergebnisse, sofern die Abtastrate entlang der Abtastbahn hoch ist. Allerdings konnte gezeigt werden, dass das Direct Scheme bei zu geringer Abtastrate keine verwertbaren Ergebnisse liefert. Das Chain Rule Scheme kommt generell besser mit einer geringeren Abtastrate zurecht. Das gilt aber nicht uneingeschränkt. Denn es kann gezeigt werden, dass sich das Chain Rule Scheme bei bestimmten Arten von Abtastbahnen, wie beispielsweise einer linearen Abtastbahn, wie das Direct Scheme verhält, und deshalb bei zu geringer Abtastrate nicht uneingeschränkt eingesetzt werden kann. Um dieses Problem zu lösen, wurde das New Scheme entwickelt, damit auch mit geringeren Abtastraten noch verwertbare Ergebnisse erzielt werden können. Nach jetzigem Wissensstand scheint das New Scheme dieser Anforderung gerecht zu werden. Es ist jedoch zu erwarten, dass auch hier eine höhere Abtastrate zu genaueren und damit besseren Ergeb nissen führt, selbst wenn diese für die Anwendung des New Scheme nicht zwingend erforderlich sein sollte.
Hier setzt die Erfindung an. Es wird von der konstanten Abtastung abgegangen, um die Anzahl der Abtastpunkte reduzieren zu können. Dazu werden (vorzugsweise äquidistante) Punkte auf der Trajektorie festgelegt für welche jeweils wiederum eine Mehrzahl von Abtastpunkten festgelegt werden. (Dabei fällt nicht notwendigerweise der Punkt der Trajektorie, für den die Ableitung berechnet wird, mit einem der Abtastpunkte zusammen. Dies wird in der Regel nur bei einer ungeraden Anzahl von Abtastpunkten pro Mehrzahl der Fall sein.)
Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Schema, bei dem lediglich der Abstand von Abtastpunkten variiert werden konnte, sind hier wenigstens drei Größen einstellbar, mit denen das Verhältnis von Anzahl der Abtastpunkte zu Bildqualität optimiert werden kann, nämlich Abstand der Punkte, für die die Ableitung berechnet wird, Anzahl der Abtastpunkte pro Ableitungsberechnung und Abstand dieser Abtastpunkte. Anhand von 4 ist illustriert, wie dies zu einer Reduktion der Gesamtzahl von Abtastpunkten führt.
Kurve A der 4 zeigt ein herkömmliches Aufnahmeprotokoll am Beispiel eines linearen Teilstücks einer beliebigen Abtastbahn. Die Punkte symbolisieren die Abtastposition entlang der Abstastbahn, von denen aus Projektionen aufgenommen werden. Die Entfernung zweier benachbarter Abtastpositionen ist entlang der Abtastbahn konstant. Kurven B und C zeigen zwei unterschiedliche Varianten des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aufnahmeprotokolls. Als Basis dient jeweils das Aufnahmeprotokoll aus Kurve A, wodurch sich die Anzahl der aufgenommenen Projektionen zunächst um einen Faktor 2 in Kurve B und um einen Faktor 3 in Kurve C erhöht. Bei dem Aufnahmeproto koll in Graphik B ist es dabei unerheblich, auf welcher Seite eine neue Abtastposition hinzugefügt wird und insgesamt können die Abtastpositionen auch zu denen in Kurve A verschoben sein. Kurven D und E zeigen zwei unterschiedliche Varianten des neuen Aufnahmeprotokolls, wobei als Basis ein Aufnahmeprotokoll mit einer um den Faktor 3 geringeren Abtastrate als in Kurve A dient. Dadurch lässt sich die Anzahl der aufgenommenen Projektionen in Kurve D um 33% gegenüber Kurve A reduzieren. In Kurve E bleibt die Anzahl der aufgenommenen Projektionen gegenüber Kurve A gleich. Die Anzahl der aufgenommenen Projektionen hängt dabei ausschließlich von dem als Basis herangezogenen Aufnahmeprotokoll ab.
Die Erfindung ist nicht auf dem in dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Fall beschränkt. Insbesondere sind andere Aufnahmeprotokolle wie in 4 gezeigt und andere Anwendungen als Spiral-CT (z. B. CT-Bildgebung mit einer Trajektorie bestehend aus einem kreis und einer Linie) denkbar.

[1] F. Noo, S. Hoppe, F. Dennerlein, G. Lauritsch, and J. Hornegger: A New Scheme for View-Dependent Data Differentiation in Fan-Beam and Cone-Beam Computed Tomography; Physics in Medicine and Biology, Vol. 52, Nr. 17, S. 5393–5414, 2007

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6771733 B2 [0004, 0008, 0018]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- F. Noo, S. Hoppe, F. Dennerlein, G. Lauritsch, and J. Hornegger: A New Scheme for View-Dependent Data Differentiation in Fan-Beam and Cone-Beam Computed Tomography; Physics in Medicine and Biology, Vol. 52, Nr. 17, S. 5393–5414, 2007 [0023]

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Schwächungskoeffizienten für ein Objekt (P) mittels einer beweglichen Röntgenquelle (2) und einem Detektor (5), welcher für die Aufnahme von Projektionen vorgesehen ist, umfassend die Schritte – Festlegen einer Trajektorie für die bewegliche Röntgenquelle (2), – Festlegen von Positionen auf der Trajektorie für die Ermittlung einer Ableitung von durch den Detektor (5) aufgenommenen Projektionen, – Festlegen einer Mehrzahl von Abtastpositionen für jede der festgelegten Positionen, – Durchfahren der Trajektorie mit der Röntgenquelle (2) und Aufnahme einer Projektion für jede Abtastposition, – numerisches Berechnen der Projektionsableitung bezüglich der Trajektorienbahn für jede der Positionen jeweils mittels der für die zugehörige Mehrzahl von Abtastpositionen aufgenommenen Projektionen, und – Bestimmung von Schwächungskoeffizienten für das Objekt (P) aus den berechneten Projektionsableitungen mittels einer theoretisch exakten oder approximativen Vorschrift für die Rekonstruktion.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorie von der Röntgenquelle mit konstanter Geschwindigkeit durchfahren wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen auf der Trajektorie für die Ermittlung einer Ableitung von durch den Detektor (5) aufgenommenen Projektionen äquidistant festgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand benachbarter Abtastpositionen, die zu derselben Mehrzahl gehören, geringer ist als der Abstand benachbarter Abtastpositionen, die zu verschiedenen Mehrzahlen gehören.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schwächungskoeffizienten im Rahmen einer Computertomographie bestimmt werden.
Vorrichtung zur Bestimmung von Schwächungskoeffizienten für ein Objekt (P) mittels einer beweglichen Röntgenquelle (2) und einem Detektor (5), welcher für die Aufnahme von Projektionen vorgesehen ist, mit – Mitteln zum Festlegen einer Trajektorie für die bewegliche Röntgenquelle (2), – Mitteln zum Festlegen von Positionen auf der Trajektorie für die Ermittlung einer Ableitung von durch den Detektor (5) aufgenommenen Projektionen, – Mitteln zum Festlegen einer Mehrzahl von Abtastpositionen für jede der festgelegten Positionen, – Mitteln zum Durchfahren der Trajektorie mit der Röntgenquelle (2) und zur Aufnahme einer Projektion für jede Abtastposition, – Mitteln zum numerischen Berechnen der Projektionsableitung bezüglich der Trajektorienbahn für jede der Positionen jeweils mittels der für die zugehörige Mehrzahl von Abtastpositionen aufgenommenen Projektionen, und – Mitteln zur Bestimmung von Schwächungskoeffizienten für das Objekt (P) aus den berechneten Projektionsableitungen mittels einer theoretisch exakten oder approximativen Vorschrift für die Rekonstruktion.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel Software-, Hardware- oder Firmwaremittel sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Teil ein Computertomographiesystems ist.
Computerprogrammprodukt, welches Mittel für die Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–5 umfasst.