-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Messdaten eines
Untersuchungsobjektes mit einem Computertomographiesystem und ein Verfahren
zur Rekonstruktion von Bilddaten des Untersuchungsobjektes aus den
so gewonnenen Messdaten.
-
Verfahren
zur Abtastung eines Untersuchungsobjektes mit einem CT-System sind
allgemein bekannt. Hierbei werden beispielsweise Kreisabtastungen,
sequentielle Kreisabtastungen mit Vorschub oder Spiralabtastungen
verwendet. Bei diesen Abtastungen werden mit Hilfe mindestens einer
Röntgenquelle und mindestens eines gegenüberliegenden
Detektors Absorptionsdaten des Untersuchungsobjektes aus unterschiedlichen
Aufnahmewinkeln aufgenommen und diese so gesammelten Absorptionsdaten
bzw. Projektionen mittels entsprechender Rekonstruktionsverfahren
zu Schnittbildern durch das Untersuchungsobjekt verrechnet.
-
Zur
Rekonstruktion von computertomographischen Bildern aus Röntgen-CT-Datensätzen
eines Computertomographiegeräts (CT-Geräts), d.
h. aus den erfassten Projektionen, wird heutzutage als Standardverfahren
ein so genanntes gefiltertes Rückprojektionsverfahren (Filtered
Back Projection; FBP) eingesetzt. Nach der Datenerfassung wird ein so
genannter ”Rebinning”-Schritt durchgeführt,
in dem die mit dem fächerförmig sich von der Quelle ausbreitenden
Strahl erzeugten Daten so umgeordnet werden, dass sie in einer Form
vorliegen, wie wenn der Detektor von parallel auf den Detektor zulaufenden
Röntgenstrahlen getroffen würde. Die Daten werden
dann in den Frequenzbereich transformiert. Im Frequenzbereich findet
eine Filterung statt, und anschließend werden die gefilterten
Daten rücktransformiert. Mit Hilfe der so umsortierten
und gefilterten Daten erfolgt dann eine Rückprojektion
auf die einzelnen Voxel innerhalb des interessierenden Volumens.
-
Es
sind ferner iterative Rekonstruktionsverfahren entwickelt worden.
Bei einem solchen iterativen Rekonstruktionsverfahren erfolgt zunächst
eine Rekonstruktion von initialen Bilddaten aus den Projektionsmessdaten.
Hierzu kann beispielsweise ein Faltungsrückprojektionsverfahren
verwendet werden. Aus diesen initialen Bilddaten werden dann mit einem „Projektor”,
einem Projektionsoperator, welcher das Messsystem mathematisch möglichst
gut abbilden sollte, synthetische Projektionsdaten erzeugt. Die
Differenz zu den Messsignalen wird dann mit dem zu dem Projektor
adjungierten Operator rückprojiziert und es wird so ein
Residuum-Bild rekonstruiert, mit dem das initiale Bild aktualisiert
wird. Die aktualisierten Bilddaten können wiederum verwendet
werden, um in einem nächsten Iterationsschritt mit Hilfe
des Projektionsoperators neue synthetische Projektionsdaten zu erzeugen,
daraus wieder die Differenz zu den Messsignalen zu bilden und ein
neues Residuum-Bild zu berechnen, mit dem wieder die Bilddaten der
aktuellen Iterationsstufe verbessert werden usw. Mit einem solchen
Verfahren lassen sich Bilddaten rekonstruieren, die eine relativ gute
Bildschärfe und dennoch ein geringes Bildrauschen aufweisen.
-
Aufgrund
der Ausdehnung des Detektors liegt ein begrenzter Messbereich vor.
Dies bedeutet, dass nur für diejenigen Volumenelemente
eines Untersuchungsobjektes, welche innerhalb des Messbereichs liegen,
Projektionen erfasst werden können. Häufig tritt
jedoch das Problem auf, dass die Ausdehnung des Untersuchungsobjektes
derart ist, dass nicht alle Teile des Untersuchungsobjektes, welche abgebildet
werden sollen, sich während der gesamten Messdatenerfassung
innerhalb des Messbereichs befinden. Dies führt zu unvollständigen
Messdatensätzen in Bezug auf diese Teile des Untersuchungsobjektes
und somit zu Artefakten bei der Bildrekonstruktion.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung
von CT-Messdaten und ein Verfahren zur Rekonstruktion von CT-Bildern
aus diesen Messdaten aufzuzeigen, wobei berücksichtigt werden
soll, dass eine Messfeldüberschreitung des Untersuchungsobjektes
vorliegt. Ferner sollen eine entsprechende Steuer- und Recheneinheit,
ein CT-System, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt
aufgezeigt werden.
-
Diese
Aufgabe wird durch Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1,
sowie durch ein Verfahren, durch eine Steuer- und Recheneinheit,
ein CT-System, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt
mit Merkmalen von nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand
von Unteransprüchen.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Gewinnung
von Messdaten eines Untersuchungsobjektes mit einem Computertomographiesystem
wird zumindest ein Teil der Oberfläche des Untersuchungsobjektes
mit stark absorbierenden Objekten versehen. Im Anschluss werden
Messdaten bei einer relativen Rotationsbewegung zwischen einer Strahlungsquelle
des Computertomographiesystems und dem Untersuchungsobjekt erfasst.
Hierbei stellt ein begrenzter Bereich zwischen der Strahlungsquelle und
einem Detektor einen Messbereich dar, in Bezug auf welchen Messdaten
erfassbar sind. Teile des Untersuchungsobjektes befinden sich während
der Messdatenerfassung zumindest zeitweise außerhalb des
Messbereichs.
-
Die
Messdatenerfassung unterscheidet sich von der herkömmlichen
Messdatenerfassung dadurch, dass das Untersuchungsobjekt vor der
Messung speziell präpariert wurde: seine Oberfläche
wird – zumindest ausschnittsweise – mit stark
absorbierenden Objekten versehen. Vorzugsweise wird zumindest oder
ausschließlich derjenige Teil der Oberfläche des
Untersuchungsobjektes mit den stark absorbierenden Objekten versehen,
welcher von der Messdatenerfassung betroffen ist, welcher also in
einem CT-Bild abgebildet werden soll. Es ist nicht erforderlich,
dass die stark absorbierenden Objekte in unmittelbarem Kontakt mit
der Oberfläche des Untersuchungsobjektes stehen. Z. B.
kann sich eine dünne Schicht zwischen der Oberfläche
des Untersuchungsobjektes und den stark absorbierenden Objekten
befinden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, einen
direkten Kontakt herzustellen, z. B. durch Aufkleben der stark absorbierenden
Objekte auf die Oberfläche oder durch eine andere Befestigungsart. In
jedem Fall sollte gewährleistet sein, dass kein undefinierter
Abstand zwischen der Oberfläche des Untersuchungsobjektes
und den stark absorbierenden Objekten besteht, so dass die im CT-Bild
sichtbaren stark absorbierenden Objekte es ermöglichen,
Rückschlüsse über die Oberfläche
des Untersuchungsobjektes zu ziehen.
-
Das
Untersuchungsobjekt ist zu groß für den Messbereich
des CT-Gerätes. Dies bedeutet, dass – abhängig
vom Projektionswinkel, also von der Stellung der Röntgenquelle
relativ zum Untersuchungsobjekt – mehr oder weniger große
Bestanteile des Untersuchungsobjektes nicht innerhalb des Messbereiches
liegen, so dass für den jeweiligen Projektionswinkel keine
Datenerfassung in Bezug auf diese Bestandteile erfolgen kann. Daher
liegt also nicht für alle Volumenelemente des Untersuchungsobjektes, welche
im CT-Bild abgebildet werden sollen, ein vollständiger
Messdatensatz vor.
-
Bei
den stark absorbierenden Objekten handelt es sich vorzugsweise um
kleine Objekte. Diese produzieren Bildartefakte nur in ihrer unmittelbaren Umgebung,
ohne große Störungen im restlichen Bild hervorzurufen.
-
Die
Absorptionseigenschaft der stark absorbierenden Objekte bezieht
sich auf die Röntgenstrahlen, welche zur Erfassung der
Messdaten eingesetzt werden. Ob ein Objekt stark absorbierend ist,
kann man anhand des CT-Wertes, welcher in HU (Hounsfield Units)
angegeben wird, erkennen. Große HU-Werte entsprechen einer
starken Absorption. Starke Absorption bedeutet, dass die jeweiligen
Objekte die Röntgenstrahlung in deutlich größerem
Umfang absorbieren als die „normale” Oberfläche
des Untersuchungsobjektes. Besonders eignet sich die Verwendung
metallischer Objekte. Die Objekte müssen allerdings nicht
unbedingt metallisch oder rein metallisch sein. Es können
z. B. auch mit schweren Elementen gefüllte Kunststofffäden
eingesetzt werden; es gibt z. B. Kunststoffe, die mit Wolfram gefüllt sind.
-
In
Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei den metallischen
Objekten um Metalldrähte. Vorzugsweise sind diese derart
angeordnet, dass sie parallel zur Rotationsachse der Rotationsbewegung verlaufen.
In diesem Fall sind bei einem axialen Schnitt durch das Untersuchungsobjekt
die Querschnitte der Metalldrähte als Punkte sichtbar.
-
Besonders
effizient ist es, wenn die stark absorbierenden Objekte in ein Textil
eingearbeitet sind. Dies ermöglicht es, den Verfahrensschritt
der Ausstattung des Untersuchungsobjektes mit den stark absorbierenden
Objekten einfach und schnell durchzuführen. Bei dem Textil
kann es sich z. B. um ein Kleidungsstück handeln.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Rekonstruktion
von Bilddaten eines Untersuchungsobjektes aus Messdaten werden Messdaten
herangezogen, welche wie oben beschrieben gewonnen wurden. Aus den
Messdaten werden erste Bilddaten des Untersuchungsobjektes ermittelt.
Es erfolgt eine Positionsbestimmung von zumindest manchen der stark
absorbierenden Objekte innerhalb der ersten Bilddaten. Unter Verwendung
der bestimmten Positionen wird eine Grenze des Untersuchungsobjektes festgelegt.
-
Die
Positionsbestimmung kann z. B. durch eine Bestimmung der Lage des
Schwerpunktes des das stark absorbierende Objekt abbildenden Bildbestandteils
erfolgen. Da bekannt ist, in welchem räumlichen Bezug sich
die stark absorbierenden Objekte bei der Datenerfassung zur Oberfläche
des Untersuchungsobjektes befanden, kann anhand der bestimmten Positionen
der stark absorbierenden Objekte in den ersten Bilddaten entschieden
werden, wo die Grenze des Untersuchungsobjektes verläuft. Hierzu
können benachbarte stark absorbierende Objekte durch Linien
miteinander verbunden werden.
-
Einer
Weiterbildung der Erfindung gemäß erfolgt im Anschluss
eine Bearbeitung der ersten Bilddaten unter Verwendung der festgelegten
Grenze, bei welcher Bildpunktwerte der ersten Bilddaten verändert
werden. Eine Veränderung von Bildpunktwerten ist sinnvoll,
da die Messdaten nicht für den gesamten interessierenden
Bereich des Untersuchungsobjektes vollständig vorlagen.
Die hieraus resultierenden Artefakte können durch die Bearbeitung des
ersten Bildes reduziert werden. Die Bearbeitung erfolgt unter Berücksichtigung
der zuvor festgelegten Grenze, denn diese zeigt den Außenbereich
des Untersuchungsobjektes an, und die Messbereichsüberschreitung
betrifft nicht die Mitte, sondern die Außenbereiche des
Untersuchungsobjektes.
-
Einer
Ausgestaltung der Erfindung gemäß werden Bildpunkte
innerhalb der festgelegten Grenze des Untersuchungsobjektes, welche
während der Messdatenerfassung sich zumindest zeitweise
außerhalb des Messbereichs befindlichen Bestandteilen des
Untersuchungsobjektes entsprechen, mit einem oder mehren bestimmten
ersten Bildpunktwerten belegt. Von dieser Belegung sind also diejenigen Bildpunkte
betroffen, welche innerhalb des Untersuchungsobjektes liegen und
für welche kein vollständiger Messdatensatz vorliegt.
Es kann z. B. ein mittlerer CT-Wert des Untersuchungsobjektes eingesetzt werden,
um alle betreffenden Bildpunkte mit diesem mittleren CT-Wert zu
belegen.
-
Die
Prüfung, ob ein Volumenelement des Untersuchungsobjektes
während der gesamten Datenerfassung innerhalb des Messbereichs
liegt oder nicht, ist unkompliziert. Denn das Messfeld ist in der CT
kreisförmig und der Radius des Kreises ist aus der Geometrie
einfach zu berechnen.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn aus den neu belegten Bildpunkten Projektionsdaten
berechnet und zur Ergänzung der Messdaten verwendet werden.
Die Berechnung der Projektionsdaten – diese entsprechen „künstlichen” Messdaten – erfolgt nicht
für das gesamte Bild, sondern nur für die Außenbereiche,
für welche kein vollständiger Messdatensatz vorhanden
ist. Auf diese Weise erhält man vollständige Messdaten
für den gesamten interessierenden Bereich des Untersuchungsobjektes.
Aus den ergänzten Messdaten können im Anschluss zweite
Bilddaten des Untersuchungsobjektes ermittelt werden. Diese sind
aufgrund der ergänzten Messdaten besser als die ersten
Bilddaten.
-
Ferner
ist es vorteilhaft, Bildpunkte außerhalb der festgelegten
Grenze des Untersuchungsobjektes mit einem oder mehren bestimmten
zweiten Bildpunktwerten zu belegen. Auf diese Weise kann in den
ersten Bilddaten deutlich der Verlauf der Oberfläche des
Untersuchungsobjektes sichtbar gemacht werden.
-
Die
ersten Bilddaten und/oder die zweiten Bilddaten können
mit Vorteil bei einer iterativen Bildrekonstruktion zur Ermittlung
von dritten Bilddaten des Untersuchungsobjektes eingesetzt werden. Dies
kann erfolgen, indem die ersten Bilddaten und/oder die zweiten Bilddaten
als Ausgangsbild, ausgehend von welchem die iterative Berechnung
erfolgt, verwendet werden. Ferner kann auch die festgelegte Grenze
des Untersuchungsobjektes bei der iterativen Bildrekonstruktion
berücksichtigt werden, z. B. als einzuhaltende Randbedingung
für das im Rahmen der Iteration zu berechnende Bild.
-
Die
erfindungsgemäße Steuer- und Recheneinheit dient
der Rekonstruktion von Bilddaten eines Untersuchungsobjektes aus
Messdaten eines CT-Systems. Sie umfasst einen Programmspeicher zur
Speicherung von Programmcode, wobei hierin – gegebenenfalls
unter anderem – Programmcode vorliegt, der geeignet ist,
ein Verfahren der oben beschriebenen Art auszuführen. Das
erfindungsgemäße CT-System umfasst eine solche
Steuer- und Recheneinheit. Ferner kann es sonstige Bestandteile enthalten,
welche z. B. zur Erfassung von Messdaten benötigt werden.
-
Das
erfindungsgemäße Computerprogramm verfügt über
Programmcode-Mittel, die geeignet sind, das Verfahren der oben beschriebenen
Art durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer
ausgeführt wird.
-
Das
erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt umfasst
auf einem computerlesbaren Datenträger gespeicherte Programmcode-Mittel,
die geeignet sind, das Verfahren der oben beschriebenen Art durchzuführen,
wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt
wird.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1:
eine erste schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
eines Computertomographiesystems mit einem Bildrekonstruktionsbestandteil,
-
2:
eine zweite schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
eines Computertomographiesystems mit einem Bildrekonstruktionsbestandteil,
-
3:
einen Ausschnitt aus einem Computertomographiesystem,
-
4:
ein Untersuchungsobjekt mit einem Kleidungsstück mit Metalldrähten,
-
5:
einen Ausschnitt aus 4.
-
In 1 ist
zunächst schematisch ein erstes Computertomographiesystem
C1 mit einer Bildrekonstruktionseinrichtung C21 dargestellt. In
dem Gantrygehäuse C6 befindet sich eine hier nicht gezeichnete
geschlossene Gantry, auf der eine erste Röntgenröhre
C2 mit einem gegenüberliegenden Detektor C3 angeordnet
sind. Optional ist in dem hier gezeigten CT-System eine zweite Röntgenröhre
C4 mit einem gegenüberliegenden Detektor C5 angeordnet,
so dass durch die zusätzlich zur Verfügung stehende
Strahler-/Detektorkombination eine höhere Zeitauflösung
erreicht werden kann, oder bei der Verwendung unterschiedlicher
Röntgenenergiespektren in den Strahler-/Detektorsystemen
auch „Dual-Energy”-Untersuchungen durchgeführt
werden können.
-
Das
CT-System C1 verfügt weiterhin über eine Patientenliege
C8, auf der ein Patient bei der Untersuchung entlang einer Systemachse
C9, auch als z-Achse bezeichnet, in das Messfeld geschoben werden
kann, wobei die Abtastung selbst sowohl als reiner Kreisscan ohne
Vorschub des Patienten ausschließlich im interessierten
Untersuchungsbereich stattfinden kann. Hierbei rotiert jeweils die
Röntgenquelle C2 bzw. C4 um den Patienten. Parallel läuft dabei
gegenüber der Röntgenquelle C2 bzw. C4 der Detektor
C3 bzw. C5 mit, um Projektionsmessdaten zu erfassen, die dann zur
Rekonstruktion von Schnittbildern genutzt werden. Alternativ zu
einem sequentiellen Scan, bei dem der Patient schrittweise zwischen
den einzelnen Scans durch das Untersuchungsfeld geschoben wird,
ist selbstverständlich auch die Möglichkeit eines
Spiralscans gegeben, bei dem der Patient während der umlaufenden
Abtastung mit der Röntgenstrahlung kontinuierlich entlang der
Systemachse C9 durch das Untersuchungsfeld zwischen Röntgenröhre
C2 bzw. C4 und Detektor C3 bzw. C5 geschoben wird. Durch die Bewegung
des Patienten entlang der Achse C9 und den gleichzeitigen Umlauf
der Röntgenquelle C2 bzw. C4 ergibt sich bei einem Spiralscan
für die Röntgenquelle C2 bzw. C4 relativ zum Patienten
während der Messung eine Helixbahn. Diese Bahn kann auch
dadurch erreicht werden, indem die Gantry bei unbewegtem Patienten entlang
der Achse C9 verschoben wird.
-
Gesteuert
wird das CT-System 10 durch eine Steuer- und Recheneinheit
C10 mit in einem Speicher vorliegendem Computerprogrammcode Prg1 bis Prgn. Von der
Steuer- und Recheneinheit C10 aus können über
eine Steuerschnittstelle 24 Akquisitionssteuersignale AS übertragen
werden, um das CT-System C1 gemäß bestimmter Messprotokolle anzusteuern.
-
Die
vom Detektor C3 bzw. C5 akquirierten Projektionsmessdaten p (im
Folgenden auch Rohdaten genannt) werden über eine Rohdatenschnittstelle C23
an die Steuer- und Recheneinheit C10 übergeben. Diese Rohdaten
p werden dann, gegebenenfalls nach einer geeigneten Vorverarbeitung,
in einem Bildrekonstruktionsbestandteil C21 weiterverarbeitet. Der
Bildrekonstruktionsbestandteil C21 ist bei diesem Ausführungsbeispiel
in der Steuer- und Recheneinheit C10 in Form von Software auf einem
Prozessor realisiert, z. B. in Form einer oder mehrerer der Computerprogrammcodes
Prg1 bis Prgn. Die
von dem Bildrekonstruktionsbestandteil C21 rekonstruierten Bilddaten
f werden dann in einem Speicher C22 der Steuer- und Recheneinheit
C10 hinterlegt und/oder in üblicher Weise auf dem Bildschirm
der Steuer- und Recheneinheit C10 ausgegeben. Sie können
auch über eine in 1 nicht
dargestellte Schnittstelle in ein an das Computertomographiesystem
C1 angeschlossenes Netz, beispielsweise ein radiologisches Informationssystem
(RIS), einspeist und in einem dort zugänglichen Massenspeicher
hinterlegt oder als Bilder ausgegeben werden.
-
Die
Steuer- und Recheinheit C10 kann zusätzlich auch die Funktion
eines EKGs ausführen, wobei eine Leitung C12 zur Ableitung
der EKG-Potenziale zwischen Patient und Steuer- und Recheneinheit
C10 verwendet wird. Zusätzlich verfügt das in der 1 gezeigte
CT-System C1 auch über einen Kontrastmittelinjektor C11, über
den zusätzlich Kontrastmittel in den Blutkreislauf des
Patienten injiziert werden kann, so dass die Gefäße
des Patienten, insbesondere die Herzkammern des schlagenden Herzens,
besser dargestellt werden können. Außerdem besteht
hiermit auch die Möglichkeit, Perfusionsmessungen durchzuführen,
für die sich das vorgeschlagene Verfahren ebenfalls eignet.
-
Die 2 zeigt
ein C-Bogen-System, bei dem im Gegensatz zum CT-System der 1 das Gehäuse
C6 den C-Bogen C7 trägt, an dem einerseits die Röntgenröhre
C2 und andererseits der gegenüberliegende Detektor C3 befestigt
sind. Der C-Bogen C7 wird für eine Abtastung ebenfalls
um eine Systemachse C9 geschwenkt, so dass eine Abtastung aus einer
Vielzahl von Abtastwinkeln stattfinden kann und entsprechende Projektionsdaten
p aus einer Vielzahl von Projektionswinkeln ermittelt werden können.
Das C-Bogen-System C1 der 2 verfügt
ebenso wie das CT-System aus der 1 über eine
Steuer- und Recheneinheit C10 der zu 1 beschriebenen
Art.
-
Die
Erfindung ist in beiden der in den 1 und 2 gezeigten
Systeme anwendbar. Ferner ist sie grundsätzlich auch für
andere CT-Systeme einsetzbar, z. B. für CT-Systeme mit
einem einen vollständigen Ring bildenden Detektor.
-
Für
die Bildrekonstruktion ist das Vorhandensein eines vollständigen
Messdatensatzes wichtig. Vollständig bedeutet hierbei,
dass jedes Volumenelement des Untersuchungsobjektes, welches in dem
CT-Bild enthalten sein soll, über einen Projektionswinkelbereich
von 180°, falls in Parallelstrahlgeometrie gemessen wird,
oder von 180° plus dem Kegelöffnungswinkel, falls
in Kegelstrahlgeometrie gemessen wird, bestrahlt werden muss und
die entsprechenden Projektionen von dem Detektor erfasst werden
müssen. Ist dies nicht gegeben, so ist eine Bildrekonstruktion
zwar dennoch möglich, jedoch ist das resultierende Bild
aufgrund der Unvollständigkeit des Messdatensatzes artefaktbehaftet.
-
Probleme
entstehen, wenn die Ausdehnung des Untersuchungsobjektes größer
als das Messfeld des CT-Gerätes ist. Eine solche Situation
ist in 3 dargestellt. Diese zeigt einen Ausschnitt aus
einem CT-Gerät gemäß 1 oder 2,
welcher die Röntgenquelle C2 und den Detektor C3 umfasst.
Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit weist der Detektor
C3 lediglich 12 Detektorelemente auf; in Realität
ist deren Anzahl weitaus größer. Zwischen der
Röntgenquelle C2 und dem Detektor C3 befindet sich das
Untersuchungsobjekt O. 3 zeigt einen Schnitt senkrecht
zur z-Achse; zu sehen ist daher ein axialer Schnitt durch das Untersuchungsobjekt
O. Der Messbereich FOV des CT-Gerätes entspricht bei einem bestimmten
Projektionswinkel im Schnitt senkrecht zur z-Achse einem Kreisausschnitt.
Dessen Ränder werden durch die Röntgenstrahlen
gebildet, welche von der Röntgenquelle C2 zu den äußersten
Rändern des Detektors C3 gelangen.
-
Es
ist in 3 zu erkennen, dass das Untersuchungsobjekt O
bei dem dargestellten Projektionswinkel nicht vollständig
innerhalb des Messbereichs FOV liegt. Die Bestandteile OA des Untersuchungsobjektes
O werden bei der Stellung von Röntgenquelle C2 und Detektor
C3 gemäß 3 nicht
von Röntgenstrahlen durchleuchtet, welche vom Detektor
C3 erfasst werden: die Bestandteile OA des Untersuchungsobjekt O
liegen außerhalb des Messbereichs FOV. Rotieren Röntgenquelle
C2 und Detektor C3 um das Untersuchungsobjekt O, so liegen bei manchen
Projektionswinkeln die in der Konstellation nach 3 außerhalb
des Messbereichs FOV liegenden Teile OA des Untersuchungsobjektes
O innerhalb des Messbereichs FOV, für andere Projektionswinkel liegen
sie außerhalb des Messbereichs FOV. Entsprechendes gilt
auch für die anderen Randbereiche des Untersuchungsobjektes
O.
-
Dies
bedeutet, dass für manche Bestandteile des Untersuchungsobjektes
O kein vollständiger Messdatensatz vorhanden ist. Im allgemeinen
gilt, dass das Messfeld des CT-Gerätes, d. h. derjenige Bereich
zwischen Röntgenquelle C2 und Detektor C3, für
welchen vollständige Datensätze erfasst werden,
durch die Schnittmenge der Strahlenfächer über einen
Halbumlauf von Röntgenquelle C2 und Detektor C3 – bzw. über
einen Halbumlauf von 180° plus dem Kegelöffnungswinkel – gegeben
ist.
-
Ein Überschreiten
des Messfeldes durch Teile eines Untersuchungsobjektes kommt in
der Praxis z. B. aufgrund der Körperfülle von
Patienten zustande, oder weil ein Patient bei einer Thoraxmessung nicht
in der Lage ist, seine Arme über oder hinter den Kopf zu
legen. Die unvollständige Abtastung des Untersuchungsobjektes
O führt zu Bildartefakten. Insbesondere führt
die Unvollständigkeit der Messdaten zu Unschärfen
der Objektkontur; d. h. dem CT-Bild ist nicht deutlich zu entnehmen,
wo die Grenzen des Untersuchungsobjektes liegen. Letzteres ist ein
besonders unerwünschter Effekt. Denn es existieren Anwendungen,
für welche die Kenntnis der genauen Objektkontur wichtig
ist. Ein Beispiel hierfür ist die Strahlentherapie: für
die Bestrahlungsplanung ist es unerlässlich, exakt die
Ausdehnung des zu bestrahlenden Objektes zu kennen. Nur auf diese
Weise kann die zu applizierende Dosis genau bestimmt werden.
-
Es
existieren bereits Möglichkeiten, dem Problem der Messfeldüberschreitung
zu begegnen:
So ist es z. B. möglich, im Sinogrammraum
Daten zu ergänzen. Bei dem Sinograummraum handelt es sich um
den Raum, in welchen die Messdaten eingetragen werden können.
Dieser wird bei einem einzeiligen Detektor durch den Projektionswinkel,
d. h. die Stellung der Röntgenröhre, und durch
die Kanalrichtung bzw. -nummer, d. h. durch die verschiedenen Detektorelemente
der Detektorzeile, aufgespannt. Wird ein mehrzeiliger Detektor verwendet,
weist der Sinogrammraum die entsprechende höhere Dimension
auf. Die Ergänzung von Messdaten im Sinogrammraum kann
so erfolgen, dass Messdaten für nicht existierende Detektorelemente
eingetragen werden; es wird also so getan, als sei der Detektor größer
als in Realität. Für die Ergänzung dieser
Daten werden heuristische Annahmen getroffen, z. B. durch Extrapolation
der gemessenen Daten, gegebenenfalls unter Anwendung von Nebenbedingungen. Ein
derartiger Algorithmus ist z. B. beschrieben in J. Hsieh
et al, „A novel reconstruction algorithm to extend the
CT scan field-of-view", Med Phys 31 (2004), S. 2386 ff.
-
Als
weitere Möglichkeit kann bei der iterativen Bildrekonstruktion
Vorwissen, etwa über möglicherweise vorhandene
HU-Werte, genutzt werden, um die Bildqualität außerhalb
des Messfeldes zu verbessern. Durch eine iterative Bildrekonstruktion
versucht man, die Bilddaten möglichst gut an die Messdaten
anzugleichen. Hierbei werden Iterationsgleichungen eingesetzt, welche
Randbedingungen enthalten können. Durch mehrfache Anwendung
der Iterationsgleichung auf die Bilddaten werden iterativ verbesserte
Bilddaten erzeugt. Ein Beispiel für eine derartige Vorgehensweise
findet sich z. B. in Holger Kunze, „Iterative Rekonstruktion
in der Medizinischen Bildverarbeitung", Dissertation FAU
Erlangen-Nürnberg, erschienen im Shaker Verlage, Aachen
(2008).
-
Prinzipiell
ist es möglich, den Detektor und hierdurch das Messfeld
zu vergrößern. Die Vergrößerung
kann auch asymmetrisch erfolgen. Hierdurch wird das Problem der
Messfeldüberschreitung vollständig beseitigt.
Allerdings sind hiermit hohe Kosten verbunden.
-
Im
folgenden wird beschrieben, wie es möglich ist, trotz der
Tatsache, dass das Untersuchungsobjekt das Messfeld überschreitet,
ein genaues CT-Bild des Untersuchungsobjektes zu erhalten, bei welchem
insbesondere die Objektkonturen scharf sind. Hierbei wird in einem
ersten Schritt mittels einer CT-Aufnahme die genaue Kontur des Untersuchungsobjektes
ermittelt.
-
4 zeigt
ein für den Zweck des genannten ersten Schrittes präpariertes
Untersuchungsobjekt O. Im Beispiel der 4 soll eine
Thoraxaufnahme des Patienten O erfolgen. Der Patient O trägt
hierzu ein eng an seiner Hautoberfläche anliegendes Oberteil
TS. Dieses besteht, da es sich direkt an der äußeren
Grenze des Untersuchungsobjektes O befinden soll, aus einem elastischen
Material, wie z. B. Lycra. In dieses sind dünne Metalldrähte
D eingearbeitet. Die Einarbeitung der Metalldrähte D in
das Kleidungsstück TS erfüllt hierbei die folgenden
Bedingungen:
Die Drähte D verlaufen annähernd
parallel zur z-Achse. Dies ist anhand 5 zu erkennen,
welche einen Ausschnitt aus dem Kleidungsstück TS der 4 darstellt.
Betrachtet man einen axialen Schnitt, also einen Schnitt senkrecht
zur z-Achse, so erscheinen die Drähte in etwa als Punkte,
wobei die Ausdehnung der Punkte durch die Drahtquerschnitte gegeben sind.
Je nach der Dichte des Materials sollten die Drähte einen
Querschnitt von etwa 0,1–2,0 mm aufweisen.
-
Ferner
sind die Drähte D so angeordnet, dass in jedem axialen
Schnitt eine Vielzahl von Drähten D enthalten ist. Dies
bedeutet einerseits, dass die Drähte D in der Richtung
entlang des Kleidungsstücks TS, welche senkrecht zur z-Achse
verläuft, keine allzu großen Abstände
zueinander aufweisen. Diese Abstände sind in 5 mit
D1 bezeichnet. Zweitens bedeutet dies, dass die Drähte
D, wenn sie wie in den 4 und 5 gezeigt
nicht durchgehend, sondern mit Unterbrechungen U eingearbeitet sind,
versetzt angeordnet sind. Die Unterbrechungen U befinden sich also
bei verschiedenen z-Positionen, so dass keine z-Position existiert,
bei welcher alle Drähte D eine Unterbrechung U aufweisen.
Die Aufteilung der Drähte D in einzelne Stücke,
d. h. die Verwendung der Unterbrechungen U, hat den Vorteil, dass
hierdurch die Elastizität des Kleidungsstückes TS
gewahrt wird. Würden die Drähte D ohne Unterbrechungen
U verlaufen, so wäre in z-Richtung wenig Elastizität
vorhanden, so dass das Kleidungsstück TS einerseits schwer
anzuziehen und andererseits unter Umständen nicht eng anliegend
wäre. Für die konkrete Dimensionierung gilt, dass
U und D1 in der Größenordnung von wenigen Zentimetern
liegen sollten, z. B. U = 1 cm, D1 = 2 cm, Drahtlänge =
4 cm.
-
Es
wird nun eine CT-Aufnahme des Patienten O, welcher das Kleidungsstück
TS trägt, durchgeführt. Aufgrund des Überschreitens
des Messfeldes liegt für manche Teile der Oberfläche
des Patienten O kein vollständiger Messdatensatz vor. Dennoch
wird aus den erfassten Messdaten ein CT-Bild des Untersuchungsobjektes
O ermittelt. Hierbei kann es sich um ein zweidimensionales Schnittbild
oder ein dreidimensionales Volumenbild handeln.
-
Metalle
absorbieren Röntgenstrahlung stark. Kleine Objekte aus
stark absorbierendem Material haben innerhalb eines CT-Bildes die
Eigenschaft, dass sie zwar lokale Artefakte in ihrer unmittelbaren Umgebung
erzeugen, jedoch ihre Position sehr genau bestimmbar ist. Die Artefakte äußern
sich so, dass die Metallquerschnitte nicht als Punkt, sondern als
Punkt mit hiervon ausgehenden Strichen, also sternartig, erscheinen.
Durch eine Schwerpunktsbestimmung kann ohne Einschränkung
durch diese Artefakte die Position der Metalldrähte D genau
bestimmt werden. In einer axialen Schicht erscheinen die Drähte
D also als eine Reihe von – mit Artefakten behafteten – Punkten,
deren Lage der Kontur des Patienten O entspricht. Durch eine Positionsbestimmung
der Drähte D innerhalb des rekonstruierten CT-Bildes kann
also eine präzise Festlegung der Grenze, d. h. der Hautoberfläche
des Patienten O, erfolgen.
-
Während
also bei einer CT-Aufnahme ohne die Drähte D die Kontur
des Patienten O aufgrund der Messfeldüberschreitung im
CT-Bild nur verschwommen erscheint, trifft dies auf die sich entlang
der Kontur befindlichen Drähte D nur bedingt zu. Zwar sind auch
sie artefaktbehaftet, einerseits aufgrund ihrer starken Röntgenstrahlenabsorption
und andererseits aufgrund ihrer Messfeldüberschreitung,
jedoch ist ihre Lage innerhalb des CT-Bildes unverfälscht.
Die Drähte D können also als Marker für
die Begrenzung des Patienten O eingesetzt werden.
-
Nachdem
die Positionen der Drähte D innerhalb des CT-Bildes bestimmt
wurden, kann diese Kenntnis dazu genutzt werden, das CT-Bild zu
verbessern, indem die aufgrund des Messfeldüberschreitung
vorhandenen Artefakte reduziert werden. Die gewonnen Informationen über
die Kontur des Patienten O können auf verschiedene Weisen
verwendet werden:
In dem bereits rekonstruierten Bild werden
diejenigen Bestandteile, für welche keine vollständigen
Messdaten vorlagen, überarbeitet. Hierzu werden die Bildwerte
der entsprechenden Bildpunkte mit einem bestimmten CT-Wert belegt.
Hierfür eignet sich besonders der CT-Wert von Wasser, also
ca. 0 HU. Dieser entspricht in etwa dem CT-Wert von Fettgewebe.
Da die Grenze des Untersuchungsobjektes genau bestimmt wurde, ist
bekannt, welche Bildpunkte innerhalb bzw. außerhalb des
Untersuchungsobjektes liegen. Die Bildpunkte innerhalb des Untersuchungsobjektes
werden mit dem CT-Wert von Wasser belegt, und die Bildpunkte außerhalb
des Untersuchungsobjektes werden mit dem CT-Wert von Luft belegt.
Anstelle des CT-Wertes von Wasser kann selbstverständlich
auch ein anderer Bildpunktwert für die Bildpunkte innerhalb
des Untersuchungsobjektes gewählt werden. Beispielsweise
kann ein Mittelwert der Bildpunkte in der Umgebung berechnet und
zum Auffüllen der Bildpunkte außerhalb des Messfeldes
verwendet werden.
-
Das
wie beschrieben bearbeitete Bild kann als Ergebnisbild ausgegeben
werden. Eine weitere Verbesserung erreicht man, wenn man aus dem
bearbeiteten Bild synthetische Messdaten berechnet. Diese Berechnung
wird als Vorwärtsprojektion bezeichnet und erfolgt unter
Verwendung eines Operators, welcher den Messprozess abbildet. Der
Vorwärtsprojektion werden jedoch nur diejenigen Bildbereiche
unterzogen, für welche die Messdaten nicht vollständig
vorlagen. Dies entspricht denjenigen Bildpunkten, welche zuvor mit
einem bestimmten CT-Wert belegt wurden. Diese künstlichen – da
durch Berechnung im Gegensatz zur Messung erhaltenen – Daten
werden verwendet, um die ursprünglichen Messdaten zu ergänzen.
Diese Ergänzung betrifft die Außenbereiche im
Sinogrammraum, in welchen sich die Daten derjenigen Bestandteile
des Untersuchungsobjektes befinden, welche teilweise außerhalb
des Messfeldes lagen. Die ergänzten Messdaten werden nun
herangezogen, um ein neues Bild des Untersuchungsobjektes zu rekonstruieren.
Dies unterscheidet sich von dem zuvor durch Bearbeitung erhaltenen
Bild, da die Ergänzung der Messdaten sich bei der Rekonstruktion
nicht nur auf die Randbereiche, sondern auch auf den mittleren Bereich
des Bildes auswirkt, für welchen vollständige
Messdaten vorhanden waren. Auch dieser Bereich war zuvor aufgrund
der Unvollständigkeit der Messdaten im Außenbereich
artefaktbehaftet und wird also durch die Ergänzung der
Messdaten im Außenbereich verbessert.
-
Das
auf eine dieser beiden Weisen gewonnene Bild kann als Ausgangsbild
einer iterativen Bildrekonstruktion eingesetzt werden. Das Ausgangsbild
ist hierbei das Bild der 0-ten Iteration. Bei der iterativen Rekonstruktion
wird versucht, die Bilddaten möglichst gut an die Messdaten
anzugleichen. Bei diesen Messdaten handelt es sich dabei nur um die
tatsächlich gemessenen Originaldaten, und somit nicht um
die ergänzten Messdaten. Ferner ist es möglich,
das Wissen über die Außenkontur des Untersuchungsobjektes
bei der iterativen Rekonstruktion als Randbedingung einzusetzen.
-
Die
Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel
beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen
und Modifikationen möglich sind, ohne dass der Rahmen der
Erfindung verlassen wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - J. Hsieh et
al, „A novel reconstruction algorithm to extend the CT
scan field-of-view”, Med Phys 31 (2004), S. 2386 ff [0044]
- - Holger Kunze, „Iterative Rekonstruktion in der Medizinischen
Bildverarbeitung”, Dissertation FAU Erlangen-Nürnberg,
erschienen im Shaker Verlage, Aachen (2008) [0045]
