DE102010020770A1

DE102010020770A1 - Verfahren zur Reduzierung von Bildartefakten, insbesondere von Metallartefakten, in CT-Bilddaten

Info

Publication number: DE102010020770A1
Application number: DE102010020770A
Authority: DE
Inventors: Dr. Flohr Thomas; Dr. Krauß Bernhard; Dr. Raupach Rainer; Dr. Schmidt Bernhard
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2011-11-17
Also published as: CN102254310A; US20110280458A1; CN102254310B; US8634625B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Bildartefakten, insbesondere Metallartefakten, bei der Generierung von Computertomographie(CT)-Bilddaten eines Objekts. Bei dem Verfahren werden zwei CT-Bilddatensätze bei unterschiedlichen mittleren Röntgenenergien erzeugt. Durch eine gewichtete Kombination der beiden CT-Bilddatensätze wird ein neuer Bilddatensatz berechnet. Der bei der gewichteten Kombination eingesetzte Gewichtungsfaktor wird dabei so gewählt, dass die Bildartefakte in dem neuen CT-Bilddatensatz gegenüber den Bildartefakten in den beiden ursprünglichen CT-Bilddatensätzen deutlich reduziert sind. Auf diese Weise lassen sich vor allem Metallartefakte in CT-Bildern auf einfache Weise deutlich reduzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Bildartefakten, insbesondere von Metallartefakten, bei der Generierung von Computertomographie(CT)-Bilddaten eines Objekts. Bildartefakte können in CT-Bildern durch unterschiedliche Effekte auftreten. Einer dieser Effekte geht auf die so genannte Strahlaufhärtung zurück, die durch die energieabhängige Schwächung von Röntgenstrahlung verursacht wird. Die Strahlaufhärtung tritt bei Computertomographen auf, da deren Röntgenröhren keine monoenergetische Röntgenstrahlung sondern ein breiteres Röntgenspektrum emittieren. Mit zunehmender Dicke der durchstrahlten Objekte werden die niederenergetischen Anteile dieses Röntgenspektrums stärker absorbiert als die höherenergetischen. Dadurch gelangt ein höherer Anteil an harter, hochenergetischer Strahlung zum Detektor und es entstehen dunkle Zonen im Bild. Auch metallische Implantate führen zur Strahlaufhärtung. Hier kann es zu sehr starken Bildartefakten kommen, beispielsweise in Form von hellen und dunklen Streifen in der Nähe des Metalls.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Generierung von CT-Bildern anzugeben, mit dem derartige Metallartefakte in den Bildern, vor allem im Bereich der medizinischen Bildgebung, auf einfache Weise reduziert werden können.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden von dem interessierenden Objekt bzw. Objektvolumen simultan oder in kurzem zeitlichem Abstand zwei Computertomographieaufnahmen mit voneinander verschiedenen mittleren Röntgenenergien gemacht. Dies kann mit einem so genannten Dual-Energy-Computertomographen oder auch mit einem entsprechend ausgerüsteten C-Bogen-System erfolgen. Die unterschiedlichen mittleren Röntgenenergien können dabei durch unterschiedliche Hochspannung an der oder den entsprechend eingesetzten Röntgenröhren des Aufnahmesystems erzeugt werden. Alternativ können die unterschiedlichen Röntgenenergiespektren auch mit unterschiedlichen Filtern erzeugt oder es können energieselektive Detektoren eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft wird ein Computertomograph mit zwei Aufnahmesystemen bestehend aus jeweils einer Röntgenröhre und einem Röntgendetektor eingesetzt, bei dem die beiden Röntgenröhren mit unterschiedlicher Röhrenspannung betrieben werden. Auf diese Weise können die beiden CT-Aufnahmen simultan durchgeführt werden. Aus den damit erhaltenen Rohdaten werden schließlich in bekannter Weise, beispielsweise mit der Technik der gefilterten Rückprojektion, zwei CT-Bilddatensätze erzeugt. Jeder CT-Bilddatensatz ist damit einer anderen mittleren Röntgenenergie bzw. einem anderen Röntgenenergiespektrum bzw. einer anderen Röhrenspannung zugeordnet, die beispielsweise 80 kV und 140 kV betragen können. Hierbei wurde erkannt, dass in dem Objektvolumen vorhandene Metallteile sehr ähnliche Bildartefakte in den mit unterschiedlicher mittlerer Röntgenenergie erzeugten CT-Bildern verursachen. Die Bildartefakte unterscheiden sich dabei im Wesentlichen in ihrer Stärke. Diese Erkenntnis wird beim vorliegenden Verfahren ausgenutzt, um die Bild- bzw. Metallartefakte zu verringern. Hierzu wird auf Basis der Bilddaten der beiden CT-Bilddatensätze durch eine gewichtete Kombination dieser beiden CT-Bilddatensätze ein neuer CT-Bilddatensatz berechnet. Der bei der gewichteten Kombination eingesetzte Gewichtungsfaktor wird so gewählt, dass die Bildartefakte in dem neuen CT-Bilddatensatz gegenüber den Bildartefakten in den beiden ursprünglichen CT-Bilddatensätzen reduziert sind. Ein oder mehrere Bilder des neuen CT-Bilddatensatzes werden dem Anwender hierbei dargestellt.
Auf diese Weise lassen sich Bildartefakte, wie sie insbesondere durch im interessierenden Objektvolumen vorhandene Metallteile verursacht werden, durch eine einfache Nachbearbeitung der Bilddaten deutlich verringern. Dies gilt beispielsweise für metallische Implantate in der medizinischen Bildgebung, beispielsweise für Gelenkimplantate, die in CT-Bildern zu erheblichen Bildartefakten führen können.
In einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt die gewichtete Kombination der beiden CT-Bilddatensätze durch eine gewichtete Subtraktion dieser beiden Datensätze. Hierbei werden die Bilddaten, d. h. Grau- oder Intensitätswerte für jeweils identische Pixel bzw. Voxel voneinander subtrahiert, um den Intensitäts- oder Grauwert für das entsprechende Pixel oder Voxel des neuen CT-Bilddatensatzes zu erhalten. Die Subtraktion erfolgt dabei beispielsweise ausgehend von dem CT-Bilddatensatz der höheren mittleren Röntgenenergie, von dem der CT-Bilddatensatz mit der geringeren mittleren Röntgenenergie mit dem entsprechenden Gewichtungsfaktor subtrahiert wird. Selbstverständlich kann die Subtraktion auch ausgehend von dem Bilddatensatz mit der geringeren mittleren Röntgenenergie erfolgen. Der geeignete Gewichtungsfaktor kann dabei empirisch bestimmt oder durch entsprechende Modellrechnungen vorab festgelegt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens hat der Anwender die Möglichkeit, den Gewichtungsfaktor bei Betrachtung eines oder mehrerer Bilder des neuen CT-Bilddatensatzes zu verändern und dabei simultan die Veränderung der Bilder zu betrachten. Auf diese Weise lassen sich unerwünschte Bildartefakte, beispielsweise interaktiv über einen am Bildschirm dargestellten Schieberegler für den Gewichtungsfaktor, auf einfache Weise minimieren.
In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird aus den beiden CT-Bilddatensätzen bei unterschiedlichen mittleren Röntgenenergien ein monoenergetischer CT-Bilddatensatz als neuer CT-Bilddatensatz berechnet. Die Röntgenenergie, für die dieser monoenergetische CT-Bilddatensatz berechnet wird, wird dabei so eingestellt, dass die unerwünschten Bildartefakte gegenüber den Ursprungsbilddatensätzen deutlich verringert sind. Die Berechnung eines monoenergetischen CT-Bilddatensatzes aus CT-Bilddatensätzen bei unterschiedlichen mittleren Röntgenenergien ist grundsätzlich bekannt. Hierzu gibt es bereits kommerziell erhältliche Module, die diese Berechnung automatisiert durchführen. Die Erfinder des vorliegenden Verfahrens haben jedoch erkannt, dass durch geeignete Wahl der Energie des monoenergetischen CT-Bilddatensatzes eine deutliche Reduzierung der durch Metallteile verursachten Bildartefakte erreicht wird. Bei Computertomographen mit Röntgenröhren die – bei Dual-Energy-Systemen – im Spannungsbereich zwischen 80 kV und 140 kV betrieben werden, kann eine derartige Reduzierung bspw. im Energiebereich zwischen 120 und 130 keV auftreten. Dies hängt allerdings auch von der Beschaffenheit des Objektvolumens ab, von dem die CT-Bildaufnahmen gemacht werden.
Diese Technik der Berechnung eines monoenergetischen CT-Bilddatensatzes aus zwei CT-Bilddatensätzen bei unterschiedlichen mittleren Röntgenenergien stellt ebenfalls eine gewichtete Kombination der beiden Bilddatensätze dar. Hierbei wird zunächst eine Basismaterialzerlegung der beiden CT-Bilddatensätze, beispielsweise in Wasseranteil und Knochenanteil, durchgeführt. Auf Basis der bekannten energieabhängigen Röntgenschwächungskoeffizienten dieser beiden Materialien bzw. Stoffe kann dann durch entsprechende Addition der Anteile dieser beiden Materialien mit einem energieabhängigen Gewichtungsfaktor der gewünschte CT-Bilddatensatz bei jeder gewünschten Energie berechnet werden.
Auch bei dieser bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens werden dem Anwender vorzugsweise ein oder mehrere CT-Bilder des neuen CT-Bilddatensatzes an einem Bildschirm dargestellt, wobei der Anwender die gewählte Energie, beispielsweise interaktiv über einen Schieberegler am Bildschirm, verändern kann und das Ergebnis der Änderung sofort in dem oder den dargestellten CT-Bildern erkennt. Damit kann der Anwender eine Minimierung der unerwünschten Bildartefakte auf einfache Weise erreichen.
Das vorgeschlagene Verfahren wird vorzugsweise auf einer Bildauswertestation eines Dual-Energy-Computertomographen ausgeführt, die ein zur Durchführung des Verfahrens ausgebildetes Bildauswertemodul aufweist. Das Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Ablaufdiagramm mit einzelnen Verfahrensschritten des vorgeschlagenen Verfahrens; und
2 ein Beispiel für die Reduktion von Metallartefakten in einem CT-Bild mit dem vorgeschlagenen Verfahren.
Bei dem vorliegenden Beispiel werden CT-Bilder eines Objektphantoms erstellt, in dem Strukturen zur schematischen Nachbildung des Hüftknochens und der beiden Oberschenkelknochen enthalten sind, wobei einer der Oberschenkelknochenstrukturen ein metallisches Gelenkimplantat beinhaltet.
Von dem Objektvolumen werden mit einem Dual-Energy-Computertomographen zwei CT-Aufnahmen bei unterschiedlichen mittleren Röntgenenergien durchgeführt. Die beiden Aufnahmen werden hierbei simultan mit den beiden getrennten Aufnahmesystemen durchgeführt, die mit unterschiedlichen mittleren Röntgenenergien betrieben werden. Die Röntgenröhre des ersten Aufnahmesystems wird mit einer niedrigen Röhrenspannung von 80 kV und somit einer niedrigen mittleren Röntgenenergie, die Röntgenröhre des zweiten Aufnahmesystems mit einer höheren Röhrenspannung von 140 kV und somit einer höheren mittleren Röntgenenergie betrieben. Aus den beiden CT-Aufnahmen, die während eines CT-Scans simultan aufgezeichnet wurden, werden in bekannter Weise mittels gefilterter Rückprojektion zwei CT-Bilddatensätze I₁, I₂ berechnet. I₁ entspricht dabei dem Bilddatensatz bei niedriger Röhrenspannung, I₂ dem Bilddatensatz bei hoher Röhrenspannung. Mit diesen beiden Bilddatensätzen wird dann eine Basismaterialzerlegung durchgeführt, wobei für den Wert x jedes Bildpunktes bzw. jedes Voxels des jeweiligen Bilddatensatzes folgende Gleichung angesetzt wird: x₁ = a + f₁·c x₂ = a + f₂·c
Durch diese beiden Gleichungen für die Grau- bzw. Intensitätswerte x₁ der Bildpunkte bzw. Voxel des ersten Bilddatensatzes I₁ und die Grau- bzw. Intensitätswerte x₂ der Bildpunkte bzw. Voxel des zweiten Bilddatensatzes I₂ lassen sich die beiden Parameter a und c bestimmen. In diesem Falle wird eine Basismaterialzerlegung in einen Wasseranteil a und einen Knochenanteil c vorgenommen, so dass damit ein Datensatz mit dem Wasseranteil und ein Datensatz mit dem Knochenanteil erhalten wird. Die von der verwendeten Röntgenenergie (z. B. Index 1 für low kV und Index 2 für high kV) abhängenden Werte für f₁ und f₂ können aus Tabellen entnommen werden, die die energieabhängige Röntgenschwächung von Knochen angeben. Aus den beiden damit erhaltenen Verteilungen lässt sich dann ein CT-Bild I_E bei jeder Energie berechnen: x_E = a + c·g(E).
Der Gewichtungsfaktor g(E) stellt den Zusammenhang zwischen einer Knochenkonzentration c und dem sich daraus ergebenden Beitrag zum CT-Wert in Abhängigkeit der Energie dar. Dieser Zusammenhang kann ebenfalls aus Tabellen entnommen werden.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Energie bzw. der Gewichtungsfaktor g(E) so gewählt, dass die durch die metallische Gelenkprothese verursachten Bildartefakte in dem berechneten monoenergetischen CT-Bilddatensatz gegenüber den ursprünglich aufgezeichneten CT-Bilddatensätzen deutlich reduziert, vorzugsweise minimiert sind. Das oder die entsprechenden CT-Bilder dieses neu berechneten CT-Bilddatensatzes I_E werden dem Anwender an einem Bildschirm dargestellt. Dieser Verfahrensablauf ist schematisch der 1 zu entnehmen.
Die 1 zeigt auch noch die zweite Verfahrensalternative, bei der aus den beiden ursprünglichen CT-Bilddatensätzen durch gewichtete Subtraktion ein neuer CT-Bilddatensatz I_E erhalten wird, in dem ebenfalls die durch die Gelenkprothese verursachten Bildartefakte reduziert sind. Hierzu werden die Grau- bzw. Intensitätswerte der Bildpunkte bzw. Voxel der einzelnen Bilddatensätze I₁, I₂ geeignet voneinander substrahiert: x_E = (x₂ – x_2,base) – g·(x₁ – x_1,base).
Der Gewichtungsfaktor g wird hierbei ebenfalls in der oben angegebenen Weise geeignet gewählt. x_i,base stellt dabei sicher, dass die Subtraktion auf dem HU-Niveau des Weichgewebes stattfindet und somit nur die Artefakte voneinander subtrahiert werden.
In der bevorzugten Ausgestaltung wird dieser Gewichtungsfaktor g bzw. die Energie E bzw. g(E) in der ersten Alternative vom Anwender über eine interaktive Einstellmöglichkeit am Bildschirm so verändert, dass das mit dem jeweils momentan gewählten Gewichtungsfaktor erhaltene neue CT-Bild die gewünschte Reduzierung der Bildartefakte aufweist. Der Anwender kann die Auswirkung der Veränderung dieses Gewichtungsfaktors auf das CT-Bild am Bildschirm direkt verfolgen. Dies ermöglicht eine sehr einfache Einstellmöglichkeit und Reduktion der Bildartefakte in dem dargestellten CT-Bild.
2 zeigt ein Beispiel für die mit dem in 1 beschriebenen Verfahren erzeugten CT-Bilder. Hierbei sind die schematisch nachgebildeten Hüftgelenkstrukturen 1 sowie Oberschenkelknochenstrukturen 2 in den Bildern erkennbar. In der rechten Oberschenkelknochenstruktur ist zudem eine metallische Gelenkprothese 3 eingebracht. Das linke obere Bild wurde hierbei bei einer hohen Röhrenspannung von 140 kV, das rechte obere Bild bei einer Röhrenspannung von 80 kV aufgenommen und zeigt ein Schnittbild des jeweiligen CT-Bilddatensatzes. Bei niedrigeren Röntgenenergien tritt der Strahlaufhärtungseffekt deutlicher in Erscheinung, so dass auch die durch die metallische Gelenkprothese 3 verursachten strahlenförmigen Bildartefakte in diesem Bild deutlicher erkennbar sind. Das linke untere Bild zeigt hierbei lediglich eine Mittelwertbildung aus den beiden aufgezeichneten CT-Bilddatensätzen, d. h. ein CT-Bild bei einer mittleren Röntgenenergie, die zwischen den beiden obigen Röntgenenergien liegt. Auch hier sind die durch die Gelenkprothese verursachten Bildartefakte deutlich zu erkennen.
Das untere rechte Bild zeigt nun das gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren neu berechnete monoenergetische CT-Bild bei einer Energie von 120 keV. Im Vergleich zu den beiden oberen ursprünglichen CT-Bildern ist die Reduzierung der Metallartefakte hier deutlich zu erkennen. Das Verfahren lässt sich sehr einfach durchführen, da es nach auf Basis der Bilddaten, d. h. nach der Bildrekonstruktion, und nicht auf Basis der Rohdaten durchgeführt wird.

Claims

Verfahren zur Reduzierung von Bildartefakten, insbesondere Metallartefakten, bei der Generierung von CT-Bilddaten eines Objektvolumens, – bei dem mindestens zwei CT-Bilddatensätze des Objektvolumens bei unterschiedlichen mittleren Röntgenenergien erzeugt werden, und – durch eine gewichtete Kombination der beiden CT-Bilddatensätze ein neuer CT-Bilddatensatz berechnet und ein oder mehrere Bilder des neuen CT-Bilddatensatzes dargestellt werden, – wobei ein bei der gewichteten Kombination eingesetzter Gewichtungsfaktor so gewählt wird, dass Bildartefakte in dem neuen CT-Bilddatensatz gegenüber Bildartefakten in den beiden CT-Bilddatensätzen reduziert sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der neue CT-Bilddatensatz durch eine gewichtete Subtraktion der beiden CT-Bilddatensätze erhalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der neue CT-Bilddatensatz durch Berechnung eines monoenergetischen CT-Bilddatensatzes bei einer Röntgenenergie erhalten wird, wobei die Röntgenenergie des monoenergetischen CT-Bilddatensatzes so gewählt wird, dass die Bildartefakte in dem neuen CT-Bilddatensatz gegenüber den Bildartefakten in den beiden CT-Bilddatensätzen reduziert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Berechnung des monoenergetischen CT-Bilddatensatzes eine Basismaterialzerlegung der beiden CT-Bilddatensätze durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einem Anwender bei Betrachtung des einen oder der mehreren Bilder des neuen CT-Bilddatensatzes eine interaktive Änderung des Gewichtungsfaktors ermöglicht wird, wobei sich die Änderung in Echtzeit auf die dargestellten Bilder auswirkt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass einem Anwender bei Betrachtung des einen oder der mehreren Bilder des neuen CT-Bilddatensatzes eine interaktive Änderung der Röntgenenergie des monoenergetischen CT-Bilddatensatzes ermöglicht wird, wobei sich die Änderung in Echtzeit auf die dargestellten Bilder auswirkt.