DE102011017710B4

DE102011017710B4 - Verfahren zum Bereitstellen eines 3D-Röntgenbilddatensatzes zu einem sich bewegenden Objekt mit stark absorbierendem Material

Info

Publication number: DE102011017710B4
Application number: DE102011017710.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Boese Jan; Dr. Lauritsch Günter; Dr. Rohkohl Christopher; Dr. Scholz Bernhard
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2021-03-04
Anticipated expiration: 2031-04-29
Also published as: US20120275656A1; DE102011017710A1; US8634620B2

Abstract

Verfahren zum Bereitstellen eines 3D-Röntgenbilddatensatzes zu einem sich bewegenden Objekt, welches ein Metallobjekt oder Kontrastmittel aus jeweils stark Röntgenstrahlung absorbierendem Material beinhaltet, mit:a) Gewinnen S10 einer Mehrzahl von 2D-Röntgenbilddatensätzen,b) Berechnen eines bewegungskompensierten 3D-Röntgenbilddatensatzes (S12a) aus den 2D-Röntgenbilddatensätzen, wobei als Effekt des stark Röntgenstrahlung absorbierenden Materials Artefakte in Form von Streifen in dem 3D-Röntgenbilddatensatz auftreten, sowie einer Mehrzahl (S12b) von 3D-Bewegungsfeldern zu den 2D-Röntgenbilddatensätzen, wobei jeweils ein 3D-Bewegungsfeld zu jedem Zeitpunkt der Bilder des 2D-Röntgenbilddatensatzes berechnet wird, gekennzeichnet durch die Schrittec) Bearbeiten (S14) des 3D-Röntgenbilddatensatzes derart, dass die Konturen des stark absorbierenden Materials hervorgehoben sind,d) Berechnen (S16) einer Mehrzahl von 2D-Vorwärtsprojektionen des bearbeiteten 3D-Röntgenbilddatensatzes, die den 2D-Röntgenbilddatensätzen entsprechen, unter Verwendung der 3D-Bewegungsfelder,e) Bearbeiten (S20) der 2D-Vorwärtsprojektion derart, dass die Datenwerte in durch die Konturen vorgegebenen Bereichen so geändert werden, dass der Effekt der starken Absorption verringert wird,f) Berechnen eines bewegungskompensierten 3D-Röntgenbilddatensatzes (S22) aus den bearbeiteten 2D-Vorwärtsprojektionen unter Verwendung der 3D-Bewegungsfelder.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen eines 3D-Röntgenbilddatensatzes zu einem sich bewegenden Objekt, das stark Röntgenstrahlung absorbierendes Material beinhaltet.
Ausgegangen ist vorliegend davon, dass ein solcher 3D-Bilddatensatz aus einer Mehrzahl von 2D-Röntgenbilddatensätzen gewinnbar ist, die mithilfe einer Röntgenstrahlungsquelle und eines Röntgenstrahlungsdetektors gewonnen werden, welche nacheinander zur Gewinnung je eines 2D-Bilddatensatzes in unterschiedliche Drehstellungen einer Drehung bezüglich einer Drehachse verbracht werden. Mithilfe z. B. der so genannten gefilterten Rückprojektion nach Feldkamp kann dann ein 3D-Röntgenbilddatensatz berechnet werden.
Vorliegend soll ein solcher 3D-Röntgenbildddatensatz zu einem sich bewegenden Objekt wie beispielsweise dem Herzen bzw. der Herzkranzgefäße gewonnen werden. Hierbei soll stark Röntgenstrahlung absorbierendes Material vorhanden sein. Dies kann das Metall in einem Katheter sein, ein Schrittmacherkabel, Schrittmacherelektroden, es kann sich bei dem stark Röntgenstrahlung absorbierenden Material jedoch auch um ein Kontrastmittel handeln, das in die Herzkranzgefäße eingebracht ist.
Vorliegend besteht eine doppelte Problematik: Während der Gewinnung der 2D-Röntgenbilddatensätze bewegt sich das Objekt, so dass das Gewinnen eines 3D-Röntgenbilddatensatzes erschwert ist. Zudem sorgt das stark Röntgenstrahlung absorbierende Material für Artefakte in einem solchen 3D-Röntgenbilddatensatz, die in Form von Streifen auftreten.
Mit dem Bereitstellen eines 3D-Röntgenbilddatensatzes zu einem sich bewegenden Objekt haben sich in letzter Zeit mehrere Entwickler befasst. Beispielsweise behandelt die EP 2 242 023 A1 ein Verfahren zur bewegungskompensierten Rekonstruktion eines dreidimensionalen endgültigen Bilddatensatzes. Hierbei wird während des Gewinnens der 2D-Röntgenbilddatensätze eine zugehörige Information zu einer Phase in der Periode der Bewegung des Objekts gewonnen. Man bezeichnet dies als Herzphase. Es lässt sich dann, z. B. nach dem Verfahren gemäß der EP 2 242 023 A1 , ein 3D-Röntgenbilddatensatz aus den 2D-Röntgenbilddatensätzen berechnen. Zudem können so genannte Bewegungsfelder zu den einzelnen Phasenintervallen berechnet werden. Beispielsweise durch das Verfahren der Registrierung der Bilder bzw. Rückprojektion der Bilder eines Phasenintervalls zu denen eines Referenz-Phasenintervalls lässt sich ermitteln, welche Teile des Objekts sich bewegen. Dadurch sind die Bewegungsfelder ableitbar. Aus der Gesamtheit der Informationen zu den Bewegungen kann dann auch der 3D-Röntgenbilddatensatz mithilfe sämtlicher 2D-Röntgenbilddatensätze abgeleitet werden. Dies ist beispielsweise in der DE 10 2009 021 521 A1 beschrieben.
Mit dem Problem, die Artefakte zu unterdrücken, die beispielsweise durch Metall im Bildobjekt entstehen, haben sich mehrere Personen befasst. So ist es aus Kalender et al., „Reduction of CT artefacts caused by metallic implants", Radiology, Aug. 1987, 164, pp. 576 bis 577 bekannt, Röntgenbilder zu segmentieren, d. h. Konturen zu erzeugen, die unterschiedlich stark absorbierende Bereiche voneinander abgrenzen. Die Segmentierung erfolgt hierbei in einer 3D-Rückprojektion. Anschließend wird die segmentierte 3D-Rückprojektion wieder vorwärts projiziert. In der Vorwärtsprojektion wird das metallische Projektionsprofil in den zur Zeit von Kalender et al. einzeiligen CT-Aufnahmen durch ein linear interpolierendes Segment ersetzt. Später haben Müller und Buzug, „Intersection line Length Normalization in CT Projection Data“ in Bildverarbeitung für die Medizin 2008, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, vorgeschlagen, mittels weglängennormierter Linienintegralprojektionsbilder das Interpolationsresultat zu verbessern. Meyer et al. haben im Artikel „Normalized Metal Artifact Reduction (NMAR) in computed tomography", in: IEEE Medical Imaging Conference, Record. 2009, Proceedings M09-206, October 2009, Orlando, Florida sodann die Weglängennormierungsmethode verallgemeinert. Des Weiteren offenbart die Druckschrift DE 10 2011 005 715 A1 ein Verfahren zum Gewinnen eines 3D-Bilddatensatzes aus einer Mehrzahl von 2D-Bilddatensätzen, wobei dieser durch eine iterative Veränderung von Ersatzdatenwerten von Spuren eines in den 2D-Bilddatensätzen abgebildeten Metallobjekts befreit werden kann.
Die bekannten Verfahren zur Beseitigung von Metallartefakten gehen jedoch immer davon aus, dass das Objekt stationär ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bereitstellen eines 3D-Röntgenbilddatensatzes zu einem sich bewegenden Objekts bereitzustellen, das stark Röntgenstrahlung absorbierendes Material beinhaltet.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Das Verfahren umfasst somit folgende Schritte:

a) Gewinnen einer Mehrzahl von 2D-Röntgenbilddatensätzen
b) Berechnen eines bewegungskompensierten 3D-Röntgenbilddatensatzes aus den 2D-Röntgenbilddatensätzen sowie Berechnen eines Bewegungsfeldes zu jedem Zeitpunkt der Bilder des 2D-Röntgenbilddatensatzes,
c) Bearbeiten des 3D-Röntgenbilddatensatzes derart, dass die Konturen des stark absorbierenden Materials hervorgehoben sind,
d) Berechnen einer Mehrzahl von 2D-Vorwärtsprojektionen des bearbeiteten 3D-Röntgenbilddatensatzes, die den 2D-Bilddatensätzen entsprechen, unter Verwendung der 3D-Bewegungsfelder,
e) Bearbeiten der 2D-Vorwärtsprojektionen derart, dass die Datenwerte in durch die Konturen vorgegebenen Bereichen so geändert werden, dass der Effekt der starken Absorption verringert (und insbesondere unterdrückt) wird, d. h. die Datenwerte weniger extremal werden,
f) Berechnen eines bewegungskompensierten 3D-Röntgenbilddatensatzes aus den bearbeiteten 2D-Vorwärtsprojektionen unter Verwendung der 3D-Bewegungsfelder.

Die Erfindung schafft es, Artefakte durch das stark Röntgenstrahlung absorbierende Material deutlich zu verringern, so dass es zu einer guten Bildqualität bei der Darstellung des sich periodisch bewegenden Objekts kommt. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, ganz neuartige Arten von Untersuchungen vorzunehmen, insbesondere ein sich bewegendes Objekts wie etwa das Herz und das umgebende Myokard auch dann zuverlässig und aussagekräftig abzubilden, wenn bestimmte Metallobjekte oder ein Kontrastmittel in das Objekt eingebracht sind.
Die Erfindung beruht vor allem auf der Erkenntnis, dass die 3D-Bewegungsfelder nicht nur selbst eine Bildaussage machen, sondern auch bei einer 2D-Vorwärtsprojektion genutzt werden können, um mithilfe der 2D-Vorwärtsprojektion diejenige Situation herzustellen, wie sie bei der Aufnahme eines zugehörigen 2D-Röntgenbilddatensatzes vorherrschte; auf diese Weise kann in den 2D-Röntgenbilddatensätzen entsprechenden 2D-Vorwärtsprojektionen eine unkomplizierte Beseitigung der Spuren des stark Röntgenstrahlung absorbierenden Materials erfolgen.
In an sich bekannter Weise werden bevorzugt in Schritt e) die Datenwerte in den durch die Konturen umfassten Bereichen durch anhand der Datenwerte in den Bereichen außerhalb der Konturen interpolierte Datenwerte ersetzt. Es kann somit an bekannte Verfahren angeknüpft werden. Insbesondere ist es bei der Bearbeitung der 2D-Vorwärtsprojektionen unerheblich, ob das Objekt ein sich bewegendes Objekt ist oder nicht.
Bevorzugt erfolgt in Schritt c) ein Segmentieren. Das Segmentieren bedeutet, dass einer Mehrzahl von Datenwerten, die einem bestimmten Intervall zugehörig sind, ein besonderer Datenwert zugeordnet wird. Im Extremfall erfolgt das Segmentieren binär, d. h. solche Datenwerte, die auf stark Röntgenstrahlung absorbierendes Material zurückgehen, werden binär auf „Eins“ gesetzt, und die anderen auf „Null“.
Das Segmentieren kann zusätzlich auch zwischen den Schritten d) und e) bezüglich der 2D-Vorwärtsprojektion erfolgen, um dort die Konturen genauer festzulegen. Genauso kann zwischen Schritt d) und e) auch ein Vergrößern des von den Konturen umschlossenen Bereichs, also ein Verschieben der Konturen, erfolgen. Man kann auf diese Weise etwas sicherer sein, dass nicht in einem Bereich außerhalb der Konturen Datenwerte auf das stark Röntgenstrahlung absorbierende Material zurückgehen.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich zu den 2D-Röntgenbilddatensätzen eine Information über den Bewegungszustand, insbesondere ein Elektrokardiogramm, aufgezeichnet.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der die einzige Figur (1) ein Flussschaubild zur Erläuterung dieser besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist.
Das Verfahren soll z. B. dazu dienen, Bilder eines Herzens mit dem umgebenden Myokard zu gewinnen, auch wenn ein Katheter mit Metall eingeführt ist.
Das Verfahren beginnt damit, dass in Schritt S10 eine Mehrzahl von 2D-Röntgenbilddatensätzen gewonnen werden, indem eine Röntgenstrahlungsquelle mit einem Röntgenstrahlungsdetektor nacheinander in unterschiedliche Drehstellungen bezüglich einer Drehachse verbracht werden. Anschließend erfolgt eine Bildrekonstruktion zur Gewinnung eines Bilddatensatzes gemäß Schritt S12a und gleichzeitig eines 4D-Bewegungsfeldes in Schritt S12b. Die Bildrekonstruktion kann beispielsweise unter Verwendung des Verfahrens aus der EP 2 242 023 A1 erfolgen. Der 3D-Bilddatensatz beruht auf sämtlichen 2D-Bilddatensätzen. Das 4D-Bewegungsfeld ist nichts anderes als eine nach der Aufnahmezeit der 2D-Röntgenbilder geordnete Folge von 3D-Bewegungsfeldern.
Auf Grundlage des 3D-Bilddatensatzes kann anschließend eine 3D-Segmentierung in Schritt S14 erfolgen. Bei einer Segmentierung wird den einzelnen Grauwerten zu Volumenelementen, die den 3D-Bilddatensatz bilden, ein neuer Grauwert zugeteilt; hierbei wird der neue Grauwert dadurch bestimmt, in welches Intervall aus einer Mehrzahl von Grauwerten der Grauwert fällt. Durch die 3D-Segmentierung werden somit bestimmte Grauwertbereiche besonders hervorgehoben, wodurch eine Kontur erkennbar ist. Vorliegend erfolgt die 3D-Segmentierung derart, dass die auf Metall (nämlich das Metall des Katheters) zurückgehenden Bereich besonders hervorgehoben sind. Nunmehr erfolgt in Schritt S16 eine dynamische Vorwärtsprojektion; und zwar wird eine solche Vorwärtsprojektion zu jedem der 2D-Bilddatensätze, die in Schritt S10 gewonnen wurden, berechnet, wobei das 4D-Bewegungsfeld gemäß S12b eingesetzt wird. Auf diese Weise wird von dem 3D-Bilddatensatz S12a wieder zurückgerechnet auf die 2D-Bilddatensätze, wobei durch den zwischenzeitlich erfolgten Schritt S14 des Segmentierens in den neuen, als Ergebnis von Schritt S16 gewonnenen 2D-Bilddatensätzen das Metall besonders hervorgehoben ist. Dem Schritt S16 kann sich ein Schritt S18 anschließen, dies muss aber nicht sein: Der Schritt S18 beinhaltet, dass in den 2D-Vorwärtsprojektionen abermals eine Segmentierung erfolgt. Gegebenenfalls kann auch das sich aufgrund der 3D-Segmentierung, welche vorwärts projiziert wurde, entstandene Gebiet im 2D-Vorwärtsprojektionsbild vergrößert werden, die Konturen werden also verschoben.
Nach dem Schritt S18 oder gegebenenfalls bei dessen Weglassung nach dem Schritt S16 erfolgt in Schritt S20 in den 2D-Vorwärtsprojektionen die Korrektur stark absorbierender Objekte, also des Metalls, und zwar wird eine Interpolation durchgeführt nach einem der eingangs beschriebenen Verfahren oder eines sonstigen Verfahrens. Diese Korrektur beinhaltet, dass ins Extremale reichende Datenwerte (Grauwerte) durch solche Datenwerte ersetzt werden, die zur Umgebung passen.
Nachdem nun eine Vielzahl von 2D-Vorwärtsprojektionen mit Korrektur bezüglich der stark absorbierenden Objekte zur Verfügung steht, erfolgt abermals eine Bildrekonstruktion, so dass gemäß S22 ein 3D-Bilddatensatz gewonnen wird, der nunmehr reduzierte Strichartefakte hat. Bei der Bildrekonstruktion wird das 4D-Bewegungsfeld S12b eingesetzt, so dass die Berechnung der Bildrekonstruktion zwischen den Schritten S20 und S22 einfacher ist als zwischen den Schritten S10 und S12a bzw. S12b.
Der 3D-Bilddatensatz mit den reduzierten Strichartefakten kann zusammen mit dem nach wie vor gültigen 4D-Bewegungsfeld S12b dazu genutzt werden, beliebige Darstellungen des sich bewegten Objektes, nämlich des Herzens, bereitzustellen. Der Katheter ist insoweit sichtbar, als er kein Metall beinhaltet.
Unter Nutzung des 4D-Bewegungsfelds kann insbesondere eine zeitliche Abfolge gegeben werden, also eine Art Film gezeigt werden, wie sich die Bilddaten zeitlich entwickeln.
Durch die Erfindung stehen neue Möglichkeiten zur Verfügung, sich bewegende Objekte darzustellen, die stark Röntgenstrahlung absorbierendes Material beinhalten.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen eines 3D-Röntgenbilddatensatzes zu einem sich bewegenden Objekt, welches ein Metallobjekt oder Kontrastmittel aus jeweils stark Röntgenstrahlung absorbierendem Material beinhaltet, mit: a) Gewinnen S10 einer Mehrzahl von 2D-Röntgenbilddatensätzen, b) Berechnen eines bewegungskompensierten 3D-Röntgenbilddatensatzes (S12a) aus den 2D-Röntgenbilddatensätzen, wobei als Effekt des stark Röntgenstrahlung absorbierenden Materials Artefakte in Form von Streifen in dem 3D-Röntgenbilddatensatz auftreten, sowie einer Mehrzahl (S12b) von 3D-Bewegungsfeldern zu den 2D-Röntgenbilddatensätzen, wobei jeweils ein 3D-Bewegungsfeld zu jedem Zeitpunkt der Bilder des 2D-Röntgenbilddatensatzes berechnet wird, gekennzeichnet durch die Schritte c) Bearbeiten (S14) des 3D-Röntgenbilddatensatzes derart, dass die Konturen des stark absorbierenden Materials hervorgehoben sind, d) Berechnen (S16) einer Mehrzahl von 2D-Vorwärtsprojektionen des bearbeiteten 3D-Röntgenbilddatensatzes, die den 2D-Röntgenbilddatensätzen entsprechen, unter Verwendung der 3D-Bewegungsfelder, e) Bearbeiten (S20) der 2D-Vorwärtsprojektion derart, dass die Datenwerte in durch die Konturen vorgegebenen Bereichen so geändert werden, dass der Effekt der starken Absorption verringert wird, f) Berechnen eines bewegungskompensierten 3D-Röntgenbilddatensatzes (S22) aus den bearbeiteten 2D-Vorwärtsprojektionen unter Verwendung der 3D-Bewegungsfelder.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt e) die Datenwerte in den durch die Konturen umfassten Bereichen durch anhand der Datenwerte in den Bereichen außerhalb der Konturen interpolierte Datenwerte ersetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) ein Segmentieren (S14) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schritt d) und Schritt e) ein Segmentieren (S18) bezüglich der 2D-Vorwärtsprojektion erfolgt, um dort die Konturen genauer festzulegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schritt d) und Schritt e) ein Vergrößern (S18) des von den Konturen umschlossenen Bereichs erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den 2D-Röntgenbilddatensätzen eine Information über den Bewegungszustand, insbesondere ein Elektrokardiogramm, aufgezeichnet wird.